Forschungsfortschritt der Spritzgusstechnologie für Metallpulver aus Titan und Titanlegierungen

Forschungsfortschritt der Spritzgusstechnologie für Metallpulver aus Titan und Titanlegierungen

--Quelle: CNKI, organisiert von: Zhongwei Precision Editor--

Der Text umfasst insgesamt 16900 Wörter und die Lesezeit: 45 Minuten

Zusammenfassung

Titan und Titanlegierungen haben ein niedriges spezifisches Gewicht, eine hohe spezifische Festigkeit, eine ausgezeichnete Biokompatibilität und eine gute Korrosionsbeständigkeit und haben ein großes Anwendungspotential in der Luft- und Raumfahrt, der Biomedizin, der Chemie, der Automobilindustrie und anderen Bereichen.

Die Metallspritzgusstechnologie (MIM) von Titan und Titanlegierungsmetallpulver kann die Massen- und kostengünstige Herstellung kleiner und mittlerer Titanprodukte mit komplexen Formen realisieren, was für die Förderung der Produktion und Anwendung von Titan und Titan von großer Bedeutung ist Legierungsprodukte.

Dieses Papier stellt die Eigenschaften und Vorteile des Metallpulver-Spritzgusses von Titan und Titanlegierungen vor, fasst den Forschungsfortschritt der Metallpulver-Spritzgusstechnologie von Titan und Titanlegierungen aus Pulverrohstoffen, Bindemittelsystem, Pulverspritzguss, Entbindung und Sinterung zusammen analysiert die Forschungsrichtung und Entwicklungsperspektiven des Metallpulver-Spritzgießens von Titan und Titanlegierungen nach den gegenwärtigen Hauptproblemen.

Schlüsselwörter Titan; Titanlegierung; Spritzguss; Forschungsfortschrittsklassifikation Nr. TF125.2; TF125.2 plus 2

Seit den 1840er Jahren, als die Menschen die industrielle Produktionsmethode zur Gewinnung von metallischem Titan aus Erzen beherrschten, wurden Titan und Titanlegierungen in industriellen und kommerziellen Einrichtungen weit verbreitet. Im Vergleich zu Stahl ist seine Jahresproduktion jedoch immer noch gering, und aufgrund der hohen Rohstoffkosten beschränkt sich sein Anwendungsbereich hauptsächlich auf die Schifffahrtsindustrie, die chemische Industrie, die Luft- und Raumfahrtindustrie, medizinische Geräte, Implantate und Luxusgüter sowie andere Branchen mit hohen Anforderungen an die Materialleistung.

Neben den hohen Rohstoffpreisen schränkt derzeit auch die schwierige Verarbeitung und Umformung von Titan und Titanlegierungen deren Einsatzmöglichkeiten stark ein.

Die Bearbeitbarkeit von Titan und Titanlegierungen ist schlecht. Das herkömmliche Bearbeitungsverfahren ist teuer in der Bearbeitungsausrüstung und hat eine geringe Bearbeitungseffizienz, was die Bearbeitungskosten stark erhöht; Die Strukturen von Titanteilen, die bearbeitet werden können, sind sehr einfach, und die meisten von ihnen können aufgrund der Beschränkungen der Verarbeitungsmethoden nicht das Designschema erreichen, das der optimalen Leistung von Materialien Spielraum geben kann.

In diesem Zusammenhang hat sich das Metallspritzgießen (MIM) mit den Vorteilen einer hohen Ausnutzungsrate von Rohstoffen und niedrigen Produktionskosten für Chargen zu einem idealen Verarbeitungsprozess für Titan und Titanlegierungen entwickelt [1 – 4].

Der Metallpulver-Spritzgussprozess umfasst normalerweise mehrere grundlegende Prozesse, wie z.

Wie in Abbildung 1 gezeigt, werden das Metallpulver und die organischen Bindemittelkomponenten gemischt, gemischt und granuliert, um das Injektionsmaterial herzustellen, und dann wird das Injektionsmaterial bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck in die Form eingespritzt. Nach dem Abkühlen wird der Produktgrünling mit einer bestimmten Form durch Entformen erhalten, und dann werden alle organischen Komponenten außer dem Metallpulver im Grünling durch den Debonding-Prozess entfernt, um der Debonding-Grünling zu werden, und schließlich wird das Produkt mit der erforderlichen Leistung erhalten Sintern.

Die Metallpulver-Spritzgusstechnologie verwirklicht die organische Kombination aus Spritzguss und traditioneller Pulvermetallurgie-Technologie, überwindet die Mängel der hohen Bearbeitungsprozesskosten, der einfachen Form des traditionellen Formverfahrens, der geringen Produktionseffizienz des isostatischen Press- und Spritzgussverfahrens und vieler Mängel des traditionellen Gießens Prozess, geringe Toleranzgenauigkeit und fördert die Produktion und Anwendung von Produkten aus Titan und Titanlegierungen (wie in Abbildung 2 gezeigt).

Abb. 1 Prozessflussdiagramm des Spritzgießens von Metallpulvern aus Titan und Titanlegierungen

Abb.1 Flussdiagramm von Titan und Titanlegierungen hergestellt von MIM

Abb. 2 Anwendungsbeispiele für das Spritzgießen von Metallpulvern aus Titan und Titanlegierungen, das 2002 gemeinsam von Zhongwei Precision und Beijing entwickelt wurde und 2004 die Massenproduktion erreichte

Abb. 2 Anwendung von Titan und Titanlegierungen hergestellt von MIM

Dieses Papier stellt die Eigenschaften und Vorteile des Spritzgießens von Metallpulvern aus Titan und Titanlegierungen vor, fasst den Forschungsfortschritt der Technologie des Spritzgießens von Metallpulvern aus Titan und Titanlegierungen aus Pulverrohstoffen, häufig verwendeten Bindersystemen, Spritzgießen, Ablösen und Sintern sowie Analysen zusammen die Forschungsrichtung des Spritzgießens von Metallpulvern aus Titan und Titanlegierungen im Hinblick auf die aktuellen Hauptprobleme.

Forschungsstand des Spritzgießens von Metallpulvern aus Titan und Titanlegierungen

Die Forschung zeigt, dass die mechanischen Eigenschaften, die Korrosionsbeständigkeit und die biomedizinischen Eigenschaften von spritzgegossenen Produkten aus Titan und Titanlegierungen stark von der relativen Dichte, dem Gehalt an Verunreinigungen, den Legierungselementen und der Mikrostruktur beeinflusst werden.

Nach dem Sintern beträgt die relative Dichte spritzgegossener Produkte etwa 95 Prozent, und es bleibt ein gewisser Anteil an Restporen.

Diese Restporen werden zur Rissquelle, wenn die Probe bricht, und haben einen großen Einfluss auf die Zugfestigkeit, Duktilität, Bruchzähigkeit, Ermüdungsfestigkeit und andere mechanische Eigenschaften des Materials. Je höher die relative Dichte von spritzgegossenen Produkten aus Titan und Titanlegierung ist, desto besser sind daher ihre mechanischen Eigenschaften.

Verunreinigungen wie Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff usw., insbesondere Sauerstoff, verbessern die Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte von Materialien und verringern die Duktilität. Bei der Sintertemperatur werden Verunreinigungen in der Titanmatrix gelöst. Da es kein wirksames Reduktionsmittel gibt, ist es schwierig, die Verunreinigungen von Titan und Titanlegierungen während des Sinterprozesses zu kontrollieren, daher ist es notwendig, die Menge an Sauerstoff, die den Rohmaterialien und jedem nachfolgenden Prozess zugesetzt wird, so weit wie möglich zu reduzieren.

Die Mikrostruktur von Titan und Titanlegierungen, einschließlich Korngröße und Phasenzusammensetzung nach dem Sintern, beeinflusst die mechanischen Eigenschaften von Materialien. Kurz gesagt, spritzgegossene Titan- und Titanlegierungsmaterialien mit hervorragender Leistung haben eine hohe Dichte, einen geringen Gehalt an Verunreinigungen (normalerweise Sauerstoffgehalt), eine geeignete Legierungszusammensetzung, feine Körner und wenige Defekte während der Verdichtung [5].

1.1 Pulverförmige Rohstoffe

Die Auswahl der Pulverrohstoffe ist ein wichtiger Schritt im Prozess des Titanpulver-Spritzgusses. Die Partikelgrößenverteilung und -morphologie des Pulvers beeinflusst direkt die Fließfähigkeit und Formbarkeit des Injektionsmaterials, die Formbeständigkeit des Grünkörpers während des Debonding-Prozesses und die Schwindung während des Sinterprozesses.

Gegenwärtig umfassen die allgemein verwendeten Herstellungsverfahren von Titan und Titanlegierungspulver mechanische Verfahren und Zerstäubungsverfahren.

Die Form des Pulvers, das durch mechanisches Mahlen (wie Kugelmahlen, Rührkugelmahlen, Hochenergie-Vibrationskugelmahlen und Luftstrommahlen) hergestellt wird, ist im Allgemeinen unregelmäßig oder eckig.

Das Hydrierungs-Dehydrierungsverfahren (HDH) soll die offensichtliche Sprödigkeit von Titan nach der Wasserstoffaufnahme nutzen, es durch mechanisches Mahlen oder Zerkleinern im Luftstrom zerkleinern und dann dehydrieren, um Titanpulver mit unregelmäßiger Form zu erhalten, wie in Abbildung 3 (a) gezeigt. . Das Zerstäubungsverfahren (wie Inertgaszerstäubung, Plasmastrahl-Rotationselektrodenzerstäubung und Elektrodeninduktionsschmelzgaszerstäubung) kann in einer vollständig inerten Atmosphäre durchgeführt werden, um die hohe Reinheit des Rohpulvers aufrechtzuerhalten. Das Pulver hat eine kugelförmige Form mit einer ziemlich breiten Partikelgrößenverteilung und einer guten Stapelleistung, wie in Abbildung 3 (b) gezeigt.

Außerdem ist es im Gegensatz zur Produktionstechnologie von Stahlpulver schwierig, Titanpulver mit feinerer Partikelgröße herzustellen. Mit abnehmender Partikelgröße nimmt die spezifische Oberfläche zu und der Gehalt an Verunreinigungen nimmt ebenfalls zu.

Im Allgemeinen beträgt die Partikelgröße des von MIM verwendeten Titanpulvers weniger als 45 &mgr;m. Wenn die Pulverpartikel zu groß sind, neigt der Injektionsprozess dazu, eine Ablösung des Pulverbindemittels zu erzeugen, wodurch Defekte entstehen, die bei der Zusammensetzungskonstruktion von Injektionsmaterialien und der Formkonstruktion vollständig berücksichtigt werden müssen [5].

Abb. 3 Hydrodehydriertes Titanpulver (a) und Aerosol-Titanpulver (b) für den Spritzguss

Abb. 3 HDH (a) und gaszerstäubtes (b) Titanpulver, das bei MIM verwendet wird

1.2 Ordner

Das Bindemittel ist ein Träger, der während des gesamten Spritzgussverfahrens in Stufen vorhanden ist. Seine Hauptaufgabe besteht darin, das Pulver die Form gleichmäßig in einem flüssigen Zustand zu füllen, die erforderliche Form zu bilden und sie bis zum Vorsinterstadium beizubehalten.

Beim Spritzgussverfahren sollte das Bindemittel die folgenden Eigenschaften aufweisen: niedriger Schmelzpunkt, gute Benetzbarkeit mit Pulverpartikeln und schnelles Aushärten, was für die Herstellung von Spritzgussmaterialien geeignet ist; Es hat eine gute Fließfähigkeit bei Einspritztemperatur; Nach dem Umformen lässt es sich leicht vom Grünkörper entfernen und es entstehen weniger Rückstände. Die Zersetzungsprodukte sind ungiftig und nicht ätzend.

Im Allgemeinen umfasst die Bindemittelkomponente mindestens die Hauptkomponente und die Nebenkomponente:

Die Hauptkomponente dient der Benetzung der Metallpulverpartikel und sorgt für die nötige Fließfähigkeit, während die Nebenkomponente dafür sorgt, dass der Spritzgrünkörper während des Spritzvorgangs und nach dem Entfernen der Hauptkomponente des Binders noch eine ausreichende Festigkeit aufweist.

In den meisten Fällen hat das Bindemittelsystem eine dritte Komponente, wie z. B. ein Tensid, um die Kompatibilität zwischen Metallpulvern und Polymeren zu verbessern.

Gemäß den unterschiedlichen Hauptkomponenten in den Bindemittelkomponenten können die üblicherweise verwendeten Bindemittelsysteme in Systeme auf Wachsbasis, Systeme auf Basis aromatischer Verbindungen, Systeme auf Paraformaldehydbasis und Systeme auf Wasserbasis eingeteilt werden.

1.2.1 Bindemittel auf Wachsbasis

Die üblicherweise verwendeten Wachse von Klebstoffsystemen auf Wachsbasis sind Paraffinwachs, Bienenwachs, Palmwachs und andere kurzkettige Polymere. Sie haben einen niedrigen Schmelzpunkt, eine gute Benetzbarkeit, eine kurze Molekülkette, eine niedrige Viskosität und eine geringere Volumenänderung als andere Polymere während der Zersetzung, was der Gewährleistung der Maßhaltigkeit von Produkten förderlich ist.

Die üblicherweise in Systemen auf Wachsbasis verwendeten sekundären Komponenten schließen Polypropylen, Polyethylen, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer und Polymethylmethacrylat mit hohem Molekulargewicht ein. Zusätzlich zu Wachs und Skelettbindemittel wird üblicherweise ein Tensid, wie Stearinsäure, zugesetzt, um die Kompatibilität zwischen dem Pulver und dem Polymer zu verbessern.

Das zuerst in der Literatur beschriebene Bindemittelsystem auf Wachsbasis stammt von Kaneko et al.

Katoet al. [7] untersuchten den zweistufigen Debonding-Prozess, der Vakuumdebonding und Argonatmosphären-Debonding kombiniert, wodurch der Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt in den gesinterten Stücken erheblich reduziert wurde.

Guoet al. [8 – 9] entwickelten ein Paraffin – Polyethylenglycol – Polyethylen – Polypropylen – Stearinsäure-Bindemittelsystem, indem sie Polyethylenglycol mit besserer Benetzbarkeit verwendeten, um einen Teil des Paraffins zu ersetzen, und verwendeten es beim Spritzgießen von reinem Titan und einer Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung. Die Sinterteile haben eine gute Formbeständigkeit und wenig Bewegung. Durch die Reduzierung des Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalts wurde auch die Leistung stark verbessert, was zu einer besseren Leistung führt.

Darüber hinaus verwendeten einige Forscher Palmwachs, um Paraffinwachs [10 – 13] teilweise zu ersetzen, und Palmöl, um Paraffinwachs [14] vollständig im Bindemittelsystem auf Wachsbasis zu ersetzen, mit guter Umformwirkung. Da jedoch das im Palmwachs enthaltene Sauerstoffelement selbst auch eine sauerstofferhöhende Quelle ist, ist der Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt des Endprodukts etwas höher und seine mechanischen Eigenschaften sind nicht so gut wie die des Paraffinsystems.

Das beste in der Literatur beschriebene Bindemittelsystem auf Wachsbasis wurde von Friederici et al. [fünfzehn]. Während des Experiments wurden vier Arten von Bindemittelanteilen gebildet, indem der Anteil von Paraffin, Polyethylen niedriger Dichte und Stearinsäure eingestellt wurde, und dann wurden die Formungs-, Entbindungs- und Sinterprozesse verschiedener Injektionsmaterialien durchgeführt. Es wurden Proben mit einer relativen Dichte von 98,1 Prozent und einer chemischen Zusammensetzung erhalten, die die Anforderungen an sekundäres reines Titan erfüllten.

Bindersysteme auf Wachsbasis spielen beim Spritzgießen eine wichtige Rolle. Aufgrund der geringen Entfettungseffizienz von organischen Lösungsmitteln, die zum Lösungsmittellösen von Bindersystemen auf Wachsbasis verwendet werden, arbeiten Forscher auf dieser Basis weiter an Innovationen und entwickeln neue Bindersysteme.

1.2.2 Bindemittel auf Basis aromatischer Verbindungen

Aromatische Verbindungen (wie Naphthalin, Anthracen usw.) können bei sehr niedriger Temperatur gelöst werden. Unter Niederdruckbedingungen können sie durch Sublimation bei einer Temperatur unterhalb ihres Schmelzpunktes direkt von fest zu gasförmig umgewandelt werden. Die Verwendung aromatischer Verbindungen als Bindemittelkomponenten kann die Effizienz des Debonding-Prozesses stark verbessern.

Weilet al. [16 – 18] verwendeten aromatische Verbindungen beim Spritzgießen von Titanmetallpulver. In der Forschung wurden Naphthalin, 1 Prozent Stearinsäure und 3 Prozent bis 12 Prozent Vinylacetat-Copolymer als Bindemittel verwendet, um dichte und poröse Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen herzustellen.

Während des Experiments gab es aufgrund der direkten Sublimation von Naphthalin in Gas keine flüssige Phase im Debonding-Prozess, das Probenvolumen änderte sich nicht, und anders als bei der Lösungsmittelentfettung war die beim Sublimationsverfahren beteiligte Oberflächenenergie gering, was bedeutete dass übliche Entfettungsfehler wie Verformung und Rissbildung vermieden werden konnten. Die Ergebnisse zeigten, dass die relative Dichte der gesinterten Proben 96,6 Prozent betrug und der Kohlenstoffgehalt nicht zunahm.

Obwohl das Bindemittelsystem eine hervorragende Produktleistung erzielt hat, werden die aromatischen Verbindungen im System immer noch Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit haben und wurden nicht nachträglich untersucht oder in großem Maßstab angewendet.

1.2.3 Bindemittel auf Polyformaldehydbasis

Polyformaldehyd wurde erstmals 1984 im Bindemittelsystem von Celanese Corp verwendet und dann von BASF entwickelt, wodurch es möglich wurde, dass die Bindemittelkomponenten kein Wachs und keine Komponenten mit geringem Molekulargewicht enthalten [19].

Hauptbestandteil des Bindersystems ist Polyformaldehyd, im späteren Entwicklungsprozess wird nach und nach Polyethylen (PE) als Gerüstbinder zugesetzt.

Derzeit hat BASF auf Basis dieses Bindersystems Spritzgussmaterialien aus niedriglegiertem Stahl, Edelstahl, Werkzeugstahl, Titan, Titanlegierungen und Keramik geformt.

Die bemerkenswerte Eigenschaft von POM ist, dass es empfindlich gegenüber sauren Reagenzien ist und sich leicht durch Säure zersetzen lässt. Daher können die Rohlinge in einer sauren Atmosphäre unterhalb ihrer Erweichungstemperatur behandelt werden. Bei diesem Verfahren befindet sich das Polyoxymethylen in einem festen Zustand, wodurch Defekte wie Risse und Ausdehnung vermieden werden, die durch das Sieden der Bindemittelkomponenten verursacht werden. Darüber hinaus weisen die Rohlinge eine geringe Verformung, eine gute Formbeständigkeit und eine genaue Größenkontrolle auf.

Darüber hinaus ist die Entfettungsrate aufgrund der großen Diffusionsrate im Vergleich zu anderen Entfettungsmethoden höher und kann das 10-fache der Rate der herkömmlichen Lösungsmittelablösung erreichen, während eine dickere Ablösung möglich ist [20].

Obwohl das Bindersystem auf Polyoxymethylenbasis viele der oben genannten Vorteile hat, hat es auch viele Nachteile.

Der hochkorrosive Salpetersäuredampf wird üblicherweise als Katalysator im katalytischen Debonding-Verfahren verwendet. Einerseits kann sich das Polyoxymethylen während der Herstellung und des Spritzgießens der Injektionsmaterialien in einem frühen Stadium zersetzen, wobei hochgiftiges Formaldehyd entsteht, und die Zersetzungsprodukte müssen durch eine zweistufige Verbrennung entfernt werden. Andererseits ist die saure Atmosphäre, die eine katalytische Rolle spielt, für die Ausrüstung stark korrosiv und erfordert mehr Investitionen.

1.2.4 Bindemittel auf Wasserbasis

Die bindungslösenden Lösungsmittel (wie Heptan und Hexan) oder die Zersetzungsprodukte der Bindemittelkomponenten (aromatisches Verbindungsmonomer und Formaldehyd), die in den oben erwähnten verschiedenen Bindemittelsystemen verwendet werden, sind mehr oder weniger schädlich für die Umwelt und die Bediener. Daher ist es von großer Bedeutung, das Bindersystem mit umweltfreundlichen Lösungsmitteln zu entwickeln und einzusetzen.

Die bestehenden umweltfreundlichen Bindersysteme verwenden Wasser als bindungslösendes Lösungsmittel.

Entsprechend der unterschiedlichen Rolle von Wasser bei der Herstellung von Injektionsmaterialien kann diese Art von Bindersystem in gelbasierte und nicht-gelbasierte Systeme eingeteilt werden.

Das übliche Polymer, das in nicht auf Gel basierenden Systemen verwendet wird, ist Polyethylenglykol, das eine gute Leistung aufweist und billig und leicht erhältlich ist. Polyethylenglykol mit niedrigem Molekulargewicht kann bei 60 °C schnell und vollständig entfernt werden, und das Molekulargewicht von üblicherweise verwendetem Polyethylenglykol beträgt etwa 500 bis 2000. Der üblicherweise verwendete Gerüstbinder ist Polymethylmethacrylat mit einem Molekulargewicht von 10000.

Sidambeet al.

In dem Experiment wurde Polyethylenglycol nach 5 Stunden in 55 °C heißem Wasser vollständig entfernt, und Polymethylmethacrylat wurde in einem 44 0 °C heißen entklebenden Argonstrom vollständig entfernt. Der endgültige Sauerstoffgehalt (Massenanteil) der vorbereiteten Probe beträgt 0,2 Prozent, die entsprechende Zugfestigkeit 850 bis 880 MPa und die Dehnung 8,5 bis 16 Prozent, was dem Ti-Standard der ASTM-Klasse 5 entspricht.

Die meisten Bindemittel auf Gelbasis sind natürliche Substanzen wie Zellulose, Stärkeagar usw.

Tokura [22] et al. verwendeten Agar als Ersatz für Polymerbindemittel beim Titanpulver-Spritzguss und untersuchten die thermische Stabilität, Löslichkeit und Viskosität des Bindemittelsystems.

Der Metal Powder Report (MPR) [23] berichtete über eine Studie zur Herstellung von Zahnimplantaten aus Titanlegierungen unter Verwendung eines Bindemittels auf Agarbasis, das aus Agar, Wasser und Gelverstärkungsmaterialien besteht.

Suzuki [24] et al. 97,3 Prozent Proben mit relativer Dichte unter Verwendung von Agar-Bindemittel (Molekulargewicht 82 500) hergestellt, das 4 Prozent Massenanteil enthielt. Die Kohlenstoff- und Sauerstoff-Massenanteile der Proben betragen 0,33 Prozent bzw. 0,3 Prozent. Die Streckgrenze beträgt 539 MPa und die Dehnung etwa 10 Prozent. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass bei Verwendung von Agar mit hohem Molekulargewicht die Gelfestigkeit zunimmt, aber der restliche Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt hoch ist, was zu einer geringeren Sinterdichte, Zugfestigkeit und Dehnung der gesinterten Stücke führt.

Das nicht auf Gel basierende Bindemittel auf Wasserbasis ist leicht zu kontrollieren, die Entfettungsausrüstung ist billiger als andere Entfettungsmethoden und das Bindemittel ist biologisch abbaubar und nicht toxisch für Mikroorganismen, aber die Behandlung von Abwasser zum Entfetten erfordert zusätzliche Kosten.

Es ist schwierig, die Größe der Endteile zu kontrollieren, die durch Spritzgussmasse mit einem gelbasierten Bindemittelsystem hergestellt werden, und die Zusammensetzung ist nicht stabil genug, so dass die Prozessbedingungen und die Qualitätskontrolle schwierig sind und weitere Forschung und Optimierung erforderlich sind.

1.3 Spritzgießen, Debonding und Sintern

Die Prozessparameter des Spritzgießens werden durch die Eigenschaften der Spritzmasse und die Geometrie des Zielprodukts bestimmt.

Wie oben erwähnt, ist die Partikelgröße von Titanpulver normalerweise relativ grob, was im Vergleich zum Spritzgießen von Materialien aus rostfreiem Stahl leicht zu einer Pulver-Bindemittel-Trennung führt. Vor dem Spritzgießen sollten geeignete Formprozessparameter gemäß den rheologischen Eigenschaften der Spritzgussmaterialien formuliert werden, um die Defekte in den geformten Grünkörpern zu reduzieren.

Wanget al.

Park [26] et al. stellten die Injektionsmaterialien mit aerosolisiertem Titanpulver, HDH-Titanpulver und kugelförmigem HDH-Titanpulver her, maßen ihre rheologischen Eigenschaften und ihr Ablöseverhalten, schlugen den Formbarkeitsindex der Injektionsmaterialien vor und bewerteten die Eigenschaften der Injektionsmaterialien basierend darauf. Die Analyseergebnisse lieferten eine theoretische Grundlage für die gleichzeitige Verwendung von HDH-Pulver und aerosolisiertem Pulver im Injektionsmaterialsystem.

Barriere [27] und andere diskutierten die optimalen Prozessparameter zur Herstellung von Metallspritzgussteilen ohne Fehler und mit den erforderlichen mechanischen Eigenschaften basierend auf dem experimentellen und numerischen Simulationsprozess. Basierend auf der Modellierungstechnologie verwendeten sie Zweiphasen-Strömungsgleichungen und einen neu entwickelten expliziten Algorithmus, um das Materialtrennungsphänomen im Einspritzprozess mittels numerischer Simulation vorherzusagen.

Chen [28] et al. verwendet hydriertes dehydriertes Ti – 6Al – 4V Vorlegierungspulver und wasserlösliches Bindersystem zur Herstellung von Kommentarfutter, maß dann die Entfernungsrate der wasserlöslichen Binderkomponente Polyethylenglycol in Proben unterschiedlicher Dicke bei unterschiedlichen Temperaturen, erstellte ein mathematisches Modell zur diffusionsgesteuerten Debonding , und bestimmten den Debonding-Mechanismus des Bindersystems.

Sidambe [29] et al. verwendeten die Methode von Taguchi, um die beste Kombination aus Sintertemperatur, Zeit, Heizrate, Atmosphäre und anderen Parametern zu bestimmen.

Nor et al. [30] stellten Ti – 6Al – 4V Injektionsmaterial unter Verwendung eines harten Palmester- und Polyethylen-Bindemittelsystems her und formulierten den optimalen Produktionsprozess unter Verwendung der Taguchi-Methode. Schließlich wurde eine Probe mit einer Streckgrenze von 934,4 MPa und einer Dehnung von 10 Prozent erhalten, und ihre Gesamtleistung erfüllte die Anforderungen der medizinischen Titanlegierung ASTM B348-02.

Obasiet al. [31] bereiteten Ti – 6Al – 4V-Proben mit Eigenschaften vor, die die Anforderungen von ASTM B348 – 02 Titanlegierung Grad 23 erfüllten, und untersuchten den Einfluss von Änderungen im grundlegenden Prozessparametersystem auf den thermischen Entfettungs- und Sinterprozess von Ti – 6Al – 4V Pulver-MIM-Komponenten.

Limberget al. [32] stellten Ti – 45Al – 5Nb – 0.2B – 0.2C durch Mischen einfacher Pulver im Spritzgussverfahren her, untersuchten die Auswirkungen der Sinterzeit und der Sinteratmosphäre auf die Zugeigenschaften und die Mikrostruktur, und erhielt Proben mit einer Zugfestigkeit von etwa 630 MPa.

Guoet al. [8 – 9] stellten Werkstoffe aus Reintitan und Ti – 6Al – 4V mittels Spritzgusstechnik her, untersuchten den Einfluss von Wärmebehandlungsprozessen wie heißisostatischem Pressen und Glühen auf die Eigenschaften von Legierungswerkstoffen und charakterisierten den Wärmebehandlungseffekt qualitativ und quantitativ mittels mikrostrukturmechanischer Eigenschaftsprüfung. Seine Mikrostruktur ist in Abbildung 4 dargestellt.

Das Beschickungsmaterial wird durch Mischen von zerstäubtem Titanpulver, hydriertem dehydriertem Titanpulver und einem Bindersystem auf Wachsbasis hergestellt. Nach dem Spritzgießen wird es im Lösungsmittel in der Mischung aus Heptan und Ethanol entklebt. Nach dem Erhitzen auf 350, 420 und 600 Grad C mit einer bestimmten Heizrate wird der Binder vollständig durch Hitzekonservierung entfernt. Die Sintertemperatur beträgt 1230 Grad C, und die Hitzeerhaltung beträgt 3 h. Schließlich betragen die Zugeigenschaften gesinterter Proben 389 bis 419 MPa und die Dehnung 2 bis 4 Prozent.

Mitglieder der Forschungsgruppe [33] präparierten Reintitanproben unter Verwendung von Aerosol-Titanpulver und wasserlöslichem Bindemittelsystem, untersuchten die Auswirkungen der Sintertemperatur und Haltezeit auf die Eigenschaften von Reintitanproben. Der Sinterprozess wurde unter 10-4~10-3 Pa Vakuum durchgeführt, die Sintertemperatur war 1350 Grad C und die Dehnung war 20,3 Prozent nach Halten für 3 Stunden, was vollständig ASTM F{{8 entspricht }}, die Probe mit der besten pulvermetallurgischen Leistung, die relative Dichte betrug 96,9 Prozent und die Zugfestigkeit 443 MPa, Biomedical Grade II Reintitan Standard.

Abb. 4 Mikrostruktur von Proben aus reinem Titan (a) und einer Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung (b), die mit Bindemittelinjektion auf Wachsbasis hergestellt wurden

Abb. 4: Mikrostrukturen von Proben aus Ti (a) und Ti-6Al-4V (b), die mit Ausgangsmaterialien auf Wachsbasis hergestellt wurden

2 Neue Spritzgussmaterialien aus Titan und Titanlegierungen

Gegenwärtig werden Titan und Titanlegierungen in großem Umfang in der orthopädischen Chirurgie, bei stomatologischen Instrumenten und medizinischen Implantaten verwendet. Aufgrund des Unterschieds zwischen ihren mechanischen Eigenschaften und den mechanischen Eigenschaften des menschlichen Knochens (Elastizitätsmodul von etwa 20 GPa) treten jedoch Stress-Shielding-Effekte an der Knochen/Implantat-Grenzfläche auf, was zu einer signifikanten Verringerung der klinischen Langzeitwirkungen führen kann, wie z in Abbildung 5 gezeigt.

Daher passten die Forscher die mechanischen Eigenschaften von Titanmaterialien an, indem sie die Struktur und Legierungszusammensetzung von Titanmaterialien änderten, um sie der Struktur und Leistung natürlicher menschlicher Knochen anzunähern.

Abb. 5 Vergleich des Elastizitätsmoduls üblicher medizinischer Titanlegierungsmaterialien

Abb.5 Vergleich des Elastizitätsmoduls biomedizinischer Titanlegierungen

2.1 Poröse Titanwerkstoffe und Titan-Keramik-Komposite

Poröse Titanmaterialien und neue Titanlegierungssystemmaterialien haben eine geeignete Porenstruktur und mechanische Eigenschaften und sind ideale Materialien für orthopädische Implantate.

Einerseits kann es die Spannungsfehlanpassung zwischen dem Implantat und dem Knochengewebe effektiv reduzieren, wodurch der Stressabschirmungseffekt verringert und die dauerhafte und effektive Funktion des Implantats realisiert wird; Andererseits ist die poröse Struktur eine notwendige Voraussetzung für das Anwachsen von Knochenzellen an den Implantatkörper. Die miteinander verbundene poröse Struktur kann eine große Menge an Körperflüssigkeit passieren lassen, was das Wachstum von Knochenzellen weiter fördern kann.

Gu [34] et al. bildete eine neue TC4-Legierung mit offener Porenstruktur durch Zugabe von TiH2 als Treibmittel und Aktivator zu elementarem Titan-Aluminium-Vanadium-Pulver mit einer gleichmäßigen Porengrößenverteilung von 90 bis 190 μm. Die Porosität beträgt etwa 43 bis 59 Prozent und der Elastizitätsmodul 5,8 bis 9,5 GPa. Motor u. [35] stellten mikroporöse Titanlegierungen durch Pulverspritzgießen (PIM) in Kombination mit der Porenbildnertechnologie her und untersuchten den Einfluss der Menge des Porenbildners Polymethylmethacrylat auf die Dichte, die Druckfestigkeit und den Elastizitätsmodul der Legierung.

Tuneret al

Chen [37] et al. verwendeten NaCl als ein porenbildendes Mittel und hydriertes, dehydriertes Titanpulverwachs-basiertes Injektionsmaterial, um spritzgegossene Proben herzustellen. Die Porosität der erhaltenen Proben betrug 42,4 % ~ 71,6 % und der Porendurchmesser erreichte 300 μm. Wie in Abbildung 6 gezeigt. Durch Einstellen der NaCl-Menge kann im Injektionsteil ein Verbindungsloch gebildet werden, dessen mechanische Eigenschaften denen von Spongiosa ähneln.

Barbosaet al.

Abb. 6 Poröses Titan-Spritzgussbauteil, präpariert mit NaCl als Porenbildner

Abb.6 Poröses Titan-Spritzgussbauteil mit NaCl als Platzhalter

Hydroxylapatit (HA) mit der gleichen chemischen Zusammensetzung und Kristallstruktur wie natürliches menschliches Knochengewebe hat einzigartige Vorteile beim Knochenersatz und der Knochenrekonstruktion und spielt eine zunehmend wichtige Rolle in biomedizinischen Geräten.

HA ist jedoch spröde und hat schlechte mechanische Eigenschaften, sodass es nicht allein als tragende Komponente verwendet werden kann. Daher ist ein neues biomedizinisches Material entstanden, das aus HA- und Titanmaterialien besteht.

Thian et al. [39  42] untersuchten die Herstellung von Ti6Al4V/HA-Kompositen durch Spritzgießen. Zuerst wurde Ti6Al4V/HA-Verbundpulver durch ein Keramikaufschlämmungsverfahren hergestellt, und dann wurde das hergestellte Pulver mit handelsüblichem Binder PAN-250S gemischt, um Anmerkungen vorzubereiten. Die rheologischen Eigenschaften der Injektionsmischung wurden getestet und die Auswirkungen der Heizrate und der Gasströmungsrate der Debonding-Atmosphäre auf die Defekte des Debonding-Teils, die Menge an entferntem Binder und den Restkohlenstoffgehalt im Debonding-Prozess wurden untersucht ; Der Einfluss von Sinterprozessparametern (Aufheizrate, Sintertemperatur, Haltezeit, Abkühlrate etc.) auf die Eigenschaften der fertigen Probe, die Porosität der präparierten Probe liegt bei etwa 50 Prozent; Darüber hinaus wurde der biologische Abbauprozess des präparierten Ti6Al4V/HA-Materials in der Körperflüssigkeitsumgebung analysiert und durch die Testergebnisse der mechanischen Eigenschaften charakterisiert.

2.2 Neue Materialien aus Titanlegierungen

Der biomedizinische Bereich ist ein wichtiger Zweig der Anwendung von Titanmaterialien, und seine Richtung der Anwendungsnachfrage wirkt sich direkt auf den Entwicklungstrend von Titanmaterialien aus.

Frühe Titanmaterialien waren reines Titan (Phase), aber die Festigkeit von reinen Titanmaterialien ist gering und die Verschleißfestigkeit ist schlecht, wodurch eine hohe Festigkeit und Zähigkeit entwickelt wird, dargestellt durch Legierungen vom Typ Ti6Al4V, Ti6Al7Nb und Ti5Al2,5Fe plus.

Aust et al. [43] erfolgreich hergestellte Knochenschraubenmaterialien mit ausgezeichneter Leistung unter Verwendung von Ti6Al7Nb-Pulver und einem Bindersystem auf Wachsbasis (Paraffin plus PE plus Stearinsäure), wie in Abbildung 7 gezeigt. Seine relative Dichte beträgt 97,6 Prozent, die Zugfestigkeit 815 MPa und die Streckgrenze 714 MPa und die Dehnung beträgt 8,7 Prozent.

Forschungsergebnisse zeigen, dass Al, V und andere Legierungselemente in Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen und Titan-Aluminium-Niob-Legierungen, die derzeit weit verbreitet sind, zytotoxische Al, V-Ionen freisetzen, nachdem das Implantat in den menschlichen Körper eingedrungen ist, was dem menschlichen Körper Schaden zufügt .

Als Ergebnis haben die Forscher eine Reihe von Biosicherheitstests der neuen Generation durchgeführt, die Nb, Ta, Zr, Mo, Sn und andere Biosicherheitselemente, aber keine Al-, V-Elemente enthalten. Entwicklung eines Titanlegierungssystems.

Derzeit entwickelte und erforschte biologische Titanlegierungen umfassen hauptsächlich Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr und Ti-29 Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Aufgrund der Beschränkungen der Pulverherstellungstechnologie und anderer Aspekte werden diese Legierungssysteme selten beim Pulverspritzgießen verwendet.

Zhaoet al.

Arokiasamy et al. [46] stellten eine Ti-5Fe-5Zr-Legierung her, indem sie Fe- und Zr-Elemente zu HDH-Pulver aus reinem Titan hinzufügten, und maßen die mechanischen Eigenschaften der Legierung. Basierend auf den Testergebnissen wurde der Mechanismus des Einflusses von Restporosität und TiC auf die Eigenschaften von Legierungsmaterialien ermittelt.

Abb. 7 Metallpulverspritzguss

Abb. 7 Ti6Al7Nb-Knochenschraube, hergestellt durch Metallspritzgussverfahren Ti6Al7Nb-Knochenschraube MIM, hergestellt von Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

3 Ausblick

Titan und Titanlegierungen haben aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichts, ihrer hohen spezifischen Festigkeit, ihrer hervorragenden Biokompatibilität und Oxidationsbeständigkeit sowie ihrer guten Korrosionsbeständigkeit ein großes Entwicklungspotenzial in Luft- und Raumfahrt, Medizin, Chemie, Automobil- und Konsumgüteranwendungen.

Im Vergleich zu herkömmlichen Verarbeitungstechnologien wie Schmieden, Gießen und Bearbeiten hat die Pulverspritzgusstechnologie offensichtliche Vorteile, eine gleichmäßige Legierungszusammensetzung, eine hohe Ausnutzungsrate von Rohstoffen und eine starke Produktionskapazität für große Mengen komplex geformter Teile, die dies erheblich fördern können Herstellung und Anwendung von Produkten aus Titan und Titanlegierungen.

Obwohl bei der Erforschung des Spritzgießens von Titan und Titanlegierungen einige Fortschritte erzielt wurden, müssen im eigentlichen industriellen Produktionsprozess noch eine Reihe von Problemen gelöst werden, wie z hochwertiges Titanlegierungssystem zum Spritzgießen und die Schwierigkeit, die chemische Zusammensetzung der Produkte zu kontrollieren.

Darüber hinaus steigt mit der rasanten Entwicklung der Mikrosystemtechnik in den letzten Jahren die Nachfrage nach mikrokomplexen Komponenten, die in Mikrosystemen verwendet werden, und das Pulverspritzgießen muss von traditionellen Produkttypen auf Mikroprodukte übertragen und zum Pulvermikrospritzgießen entwickelt werden Technologie.

Derzeit konzentriert sich die Mikrospritzgusstechnologie hauptsächlich auf Polymer, Edelstahl und andere Materialsysteme. Beim Mikrospritzgießen von Titan und Titanlegierungen sind noch viele Probleme zu untersuchen.

Daher sollte sich die Entwicklung der Forschung zum Spritzgießen von Titan und Titanlegierungen auf die Erforschung und Entwicklung neuer Titanlegierungssysteme, die Entwicklung einer kostengünstigen, hochwertigen Titanlegierungspulver-Herstellungstechnologie und die Erforschung des Mikrospritzgießens von Titanmaterialien konzentrieren mikrokomplexe Geräte.

Mit der eingehenden Forschung zur Spritzgusstechnologie von Titan und Titanlegierungen wird angenommen, dass die Spritzgusstechnologie von Titan und Titanlegierungen große Fortschritte machen und dann die schnelle Entwicklung der Titanindustrie fördern wird