Spritzgusstechnologie aus Titan und Titanlegierungsmetallpulver

Spritzgusstechnologie aus Titan und Titanlegierungsmetallpulver

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. hat im Jahr 2008 durch kontinuierliche Forschung und Entwicklung, Innovation, Tests sowie Spritzgussverfahren für Titanmetall und Titanlegierungsmetalle eine Massenproduktion erreicht. Wenn es Kunden in Not gibt, senden Sie bitte eine E-Mail an: Business- mall@zw-jm.com Geben Sie es an unser Unternehmen weiter und professionelle Ingenieure werden Ihnen innerhalb kürzester Zeit innerhalb kürzester Zeit antworten.

Zusammenfassung

Titan und Titanlegierungen weisen sowohl ein niedriges spezifisches Gewicht als auch eine hohe spezifische Festigkeit, ausgezeichnete Biokompatibilität und gute Korrosionsbeständigkeit auf und verfügen über ein großes Anwendungspotenzial in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Biomedizin, der Chemie und der Automobilindustrie.

Mit der MIM-Technologie (Metal Powder Injection Molding) aus Titan und Titanlegierungen können kleine und mittelgroße komplex geformte Titanprodukte in großem Maßstab und kostengünstig hergestellt werden, was für die Förderung der Produktion und Anwendung von Titan- und Titanlegierungsprodukten von großer Bedeutung ist .

In diesem Artikel werden die Eigenschaften und Vorteile des Metallpulverspritzgießens von Titan und Titanlegierungen vorgestellt. Es fasst den Forschungsfortschritt der Spritzgusstechnologie für Titan- und Titanlegierungsmetallpulver unter den Aspekten Pulverrohstoffe, Bindemittelsysteme, Pulverspritzguss, Debonding und Sintern zusammen. Als Antwort auf die Hauptprobleme, die derzeit bestehen, werden die Forschungsrichtung und die Entwicklungsperspektiven des Metallpulverspritzgießens von Titan und Titanlegierungen analysiert.

Schlüsselwörter Titan; Titanlegierung; Spritzguss; Klassifizierungsnummer des Forschungsfortschritts TF125.2; TF125.2 plus 2

(Anmerkung des Herausgebers: Englische Einleitung weggelassen...)

Seit der Beherrschung der industriellen Produktionsmethode zur Gewinnung von metallischem Titan aus Erzen in den 1840er Jahren wurden Titan und Titanlegierungen in industriellen und kommerziellen Anlagen weit verbreitet eingesetzt. Allerdings ist seine Jahresproduktion im Vergleich zu Stahl immer noch gering, und aufgrund der hohen Rohstoffkosten ist sein Anwendungsbereich größtenteils auf die Schifffahrtsindustrie, die chemische Industrie, die Luft- und Raumfahrtindustrie, medizinische Geräte, Implantate, Luxusgüter und andere Industrien beschränkt mit hohen Anforderungen an die Materialleistung.

Derzeit schränkt neben den hohen Rohstoffpreisen auch die Schwierigkeit der Verarbeitung und Formung von Titan und Titanlegierungen deren Anwendungsbereich stark ein.

Die Bearbeitbarkeit von Titan und Titanlegierungen ist schlecht, und herkömmliche Bearbeitungsmethoden erfordern teure Geräte und eine geringe Verarbeitungseffizienz, was ihre Verarbeitungskosten erheblich erhöht. Die Struktur von Titanteilen, die bearbeitet werden können, ist sehr einfach, und aufgrund der Einschränkungen der Verarbeitungsmethoden können die meisten von ihnen keine Designlösungen erzielen, die die Materialleistung maximieren können.

In diesem Zusammenhang hat sich das Metallspritzgießen (MIM), das die Vorteile einer hohen Rohstoffausnutzung und niedriger Chargenproduktionskosten bietet, zu einem idealen Verarbeitungsprozess für Titan und Titanlegierungen entwickelt [1-4].

Der Metallpulver-Spritzgussprozess umfasst in der Regel mehrere grundlegende Prozesse wie die Vorbereitung des Injektionsmaterials, das Spritzgießen, das Ablösen, das Sintern und die notwendige Nachbearbeitung.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, werden zunächst die Metallpulver- und organischen Bindemittelkomponenten gemischt, gemischt und granuliert, um ein Injektionsmaterial herzustellen. Anschließend wird das Injektionsmaterial bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck in die Form eingespritzt, abgekühlt und entformt, um ein grünes Produkt mit einer bestimmten Form zu erhalten. Anschließend werden durch den Debonding-Prozess alle organischen Bestandteile außer Metallpulver aus dem Grünprodukt entfernt, wodurch ein Debonding-Grünprodukt entsteht. Abschließend wird gesintert, um die gewünschte Leistung des Produkts zu erzielen.

Die Metallpulver-Spritzgusstechnologie hat eine organische Kombination aus Spritzguss und traditioneller Pulvermetallurgietechnologie erreicht und die Nachteile hoher Bearbeitungskosten, einfacher Form des herkömmlichen Formverfahrens, geringer Produktionseffizienz des isostatischen Press- und Spritzgussverfahrens sowie vieler Mängel bei herkömmlichen Verfahren überwunden Gussverfahren und geringe Toleranzgenauigkeit. Es hat die Produktion und Anwendung von Produkten aus Titan und Titanlegierungen erheblich gefördert (wie in Abbildung 2 dargestellt).

1 Flussdiagramm von Titan und Titanlegierungen, hergestellt von MIM

 

2 Anwendungen von Titan und Titanlegierungen, hergestellt von MIM

 

Forschungsstand zum Spritzgießen von Metallpulvern aus Titan und Titanlegierungen

Untersuchungen haben gezeigt, dass die mechanischen Eigenschaften, die Korrosionsbeständigkeit und die biomedizinischen Eigenschaften von Spritzgussprodukten aus Titan und Titanlegierungen stark von vier Aspekten beeinflusst werden: relative Dichte, Verunreinigungsgehalt, Legierungselemente und Mikrostruktur.

Nach dem Sintern des Spritzgussprodukts liegt seine relative Dichte bei etwa 95 Prozent und es verbleibt ein gewisser Anteil an Restporen.

Diese verbleibenden Poren werden zur Rissquelle, wenn die Probe bricht, und haben einen größeren Einfluss auf die Zugfestigkeit, Duktilität, Bruchzähigkeit, Ermüdungsfestigkeit und andere mechanische Eigenschaften des Materials. Je höher die relative Dichte von Spritzgussprodukten aus Titan und Titanlegierungen ist, desto besser sind daher ihre mechanischen Eigenschaften.

Verunreinigungselemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff usw., insbesondere Sauerstoff, können die Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte von Materialien erhöhen und die Duktilität verringern. Bei der Sintertemperatur lösen sich Verunreinigungselemente in der Titanmatrix auf. Aufgrund des Mangels an wirksamen Reduktionsmitteln ist es schwierig, die Verunreinigungselemente in Titan und Titanlegierungen während des Sinterprozesses zu kontrollieren. Dies erfordert eine Minimierung der Menge an Sauerstoff, die den Rohstoffen und jedem nachfolgenden Prozessschritt zugesetzt wird.

Die Mikrostruktur von Titan und Titanlegierungen, einschließlich der Korngröße und Phasenzusammensetzung nach dem Sintern, kann die mechanischen Eigenschaften des Materials beeinflussen. Insgesamt weisen spritzgegossene Titan- und Titanlegierungsmaterialien mit hervorragender Leistung eine hohe Dichte, einen geringen Gehalt an Verunreinigungen (normalerweise Sauerstoffgehalt), eine geeignete Legierungszusammensetzung, eine feine Korngröße während der Verdichtung und weniger Defekte auf [5].

1.1 Pulverrohstoffe

Die Auswahl der Pulverrohstoffe ist ein wichtiger Schritt im Titanpulver-Spritzgussprozess. Die Partikelgrößenverteilung und Morphologie des Pulvers wirken sich direkt auf die Fließfähigkeit und Formbarkeit der Spritzgussmasse, die Formbeständigkeit des Grünkörpers während des Debonding-Prozesses und die Schrumpfrate während des Sinterprozesses aus.

Zu den üblicherweise verwendeten Methoden zur Herstellung von Titan- und Titanlegierungspulvern gehören mechanische Methoden und Zerstäubungsmethoden.

Die Form des Pulvers, das durch mechanische Verfahren wie Kugelmahlen, Rührkugelmahlen, Hochenergie-Vibrationskugelmahlen und Luftstrompulverisierung erhalten wird, ist im Allgemeinen unregelmäßig oder eckig.

Der Hydrierungs-Dehydrierungsprozess (HDH) nutzt die offensichtlichen Versprödungseigenschaften von Titan nach der Wasserstoffabsorption. Es wird durch mechanisches Mahlen oder Luftstromzerkleinern zerkleinert und anschließend einer Dehydrierung unterzogen, um unregelmäßig geformtes Titanpulver zu erhalten, wie in Abbildung 3 (a) dargestellt. Das Zerstäubungsverfahren (z. B. Inertgaszerstäubung, Plasmastrahlzerstäubung mit rotierender Elektrode und Elektrodeninduktionsschmelzgaszerstäubung) kann in einer vollständig inerten Atmosphäre durchgeführt werden, um die hohe Reinheit des Rohpulvers aufrechtzuerhalten. Das vorbereitete Pulver hat eine kugelförmige Form und eine ziemlich breite Partikelgrößenverteilung mit guter Stapelleistung, wie in Abbildung 3 (b) dargestellt.

Darüber hinaus ist die Herstellung von feinerem Titanpulver im Gegensatz zur Produktionstechnologie von Stahlpulver schwieriger. Mit abnehmender Partikelgröße nimmt die spezifische Oberfläche zu und auch der Gehalt an Verunreinigungselementen nimmt zu.

Typischerweise verwendet MIM Titanpulver mit einer Partikelgröße von weniger als 45 μm. Wenn die Pulverpartikel zu groß sind, ist der Injektionsprozess anfällig für eine Trennung des Pulverbinders und die Bildung von Defekten. Es ist notwendig, die Gestaltung der Zusammensetzung des Einspritzmaterials und des Formdesigns vollständig zu berücksichtigen [5].

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

1.2 Klebstoff

Das Bindemittel ist ein Träger, der während des gesamten Spritzgussprozesses stufenweise vorhanden ist. Seine Hauptfunktion besteht darin, die Form gleichmäßig mit Pulver in flüssigem Zustand zu füllen, die gewünschte Form zu bilden und diese bis zum Vorsintern beizubehalten.

Im Spritzgussverfahren sollte das Bindemittel folgende Eigenschaften aufweisen: niedriger Schmelzpunkt, gute Benetzbarkeit gegenüber Pulverpartikeln und schnelle Verfestigung, was für die Herstellung von Spritzgussmaterialien praktisch ist; Hat eine gute Fließfähigkeit bei Injektionstemperatur; Nach der Umformung lässt es sich leicht vom Barren entfernen, wobei weniger Restmaterial und ungiftige und nicht korrosive Zersetzungsprodukte entstehen.

Im Allgemeinen umfassen die Bindemittelkomponenten mindestens die Hauptkomponente und Nebenkomponenten:

Die Hauptkomponente dient der Benetzung der Metallpulverpartikel und sorgt für die nötige Fließfähigkeit, während die Nebenkomponente dafür sorgt, dass der Injektionsgrünkörper während des Injektionsprozesses und nach der Entfernung der Hauptkomponente des Bindemittels noch eine ausreichende Festigkeit aufweist.

In den meisten Fällen enthält das Bindemittelsystem eine dritte Komponente, beispielsweise Tenside, um die Kompatibilität zwischen Metallpulvern und Polymeren zu verbessern.

Entsprechend den unterschiedlichen Hauptkomponenten in den Bindemittelkomponenten können die üblicherweise verwendeten Bindemittelsysteme in Systeme auf Wachsbasis, Systeme auf Basis aromatischer Verbindungen, Systeme auf Polyoxymethylenbasis und Systeme auf Wasserbasis unterteilt werden.

1.2.1 Bindemittel auf Wachsbasis

Zu den häufig verwendeten Wachsen für wachsbasierte Systembindemittel gehören mehrere kurzkettige Polymere wie Paraffin, Bienenwachs, Palmwachs usw. Sie haben einen niedrigen Schmelzpunkt, eine gute Benetzbarkeit, kurze Molekülketten, eine niedrige Viskosität und im Vergleich zu anderen geringere Volumenänderungen während der Zersetzung Polymere, was zur Sicherstellung der Maßhaltigkeit des Produkts beiträgt.

Zu den häufig verwendeten Sekundärkomponenten von Systemen auf Wachsbasis gehören Polypropylen, Polyethylen, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer und Polymethylmethacrylat mit hohem Molekulargewicht. Zusätzlich zu Wachs und Gerüstbindern wird üblicherweise ein Tensid wie Stearinsäure zugesetzt, um die Verträglichkeit zwischen Pulver und Polymer zu verbessern.

Das früheste in der Literatur beschriebene Bindemittelsystem auf Wachsbasis stammt von Kaneko et al. [6], das Paraffin-Polybutylmethacrylat-Ethylen-Vinylacetat-Copolymer-Dibutylphthalat als Bindemittel und Titanpulver zur Herstellung eines Bemerkungsinjektionsmaterials verwendete. Die Pulverbeladung betrug 56 Prozent und nach der Ablösung wurde bei 1300 °C und 1,3 Pa gesintert. Die erhaltene gesinterte Probe hatte eine relative Dichte von 94 Prozent und eine Druckfestigkeit von 1000 MPa, aufgrund des hohen Gehalts an Verunreinigungen war sie jedoch nicht stabil hatte fast keine Duktilität.

Kato et al. [7] untersuchten einen zweistufigen Debonding-Prozess, bei dem Vakuumdebonding und Argonatmosphärendebonding kombiniert wurden, wodurch der Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt in gesinterten Teilen deutlich reduziert wurde.

Guo et al. [8-9] verwendete Polyethylenglykol mit besserer Benetzbarkeit als Ersatz für etwas Paraffin und entwickelte ein Paraffin-Polyethylen-Polyethylen-Polypropylen-Stearinsäure-Bindemittelsystem, das beim Spritzgießen von reinem Titan und Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen verwendet wurde. Die gesinterten Teile hatten eine gute Formbeständigkeit und eine geringe Wellenbewegung. Aufgrund der Reduzierung des Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalts wurde die Leistung erheblich verbessert, was zu einer guten Leistung führte.

Darüber hinaus haben Forscher Palmwachs als teilweisen Ersatz für Paraffinwachs [10-13] und Palmöl als vollständigen Ersatz für Paraffinwachs [14] für ein wachsbasiertes Bindemittelsystem verwendet, das gute Umformeffekte aufweist. Aufgrund des im Palmwachs selbst enthaltenen Sauerstoffelements ist es jedoch auch eine Quelle der Sauerstoffverstärkung.

Das derzeit in der Literatur beschriebene optimale Bindemittelsystem auf Wachsbasis wurde von Friederici et al. vorgeschlagen. [15]. Während des experimentellen Prozesses wurden vier Bindemittelverhältnisse gebildet, indem die Anteile von Paraffin, Polyethylen niedriger Dichte und Stearinsäure angepasst wurden, und auf der Grundlage dieser Verhältnisse wurden verschiedene Injektionsmaterialien geformt, gelöst und gesintert. Es wurde eine Probe mit einer relativen Dichte von 98,1 Prozent und einer chemischen Zusammensetzung erhalten, die den Anforderungen an sekundäres Reintitan entspricht.

Bindemittelsysteme auf Wachsbasis spielen beim Spritzgießen eine wichtige Rolle. Aufgrund der geringen Effizienz der Lösungsmittellösung mit organischen Lösungsmitteln haben Forscher jedoch kontinuierlich Innovationen entwickelt und neue Bindemittelsysteme entwickelt.

1.2.2 Bindemittel auf Basis aromatischer Verbindungen

Aromatische Verbindungen (wie Naphthalin, Anthracen usw.) können sich bei sehr niedrigen Temperaturen lösen und unter Niederdruckbedingungen durch Sublimation bei Temperaturen unterhalb ihres Schmelzpunkts direkt vom Feststoff in Gas umgewandelt werden. Durch den Einsatz aromatischer Verbindungen als Bindemittelkomponenten kann die Effizienz des Debonding-Prozesses deutlich verbessert werden.

Weil et al. [16-18] verwendete aromatische Verbindungen beim Spritzgießen von Titanmetallpulver. Im Rahmen seiner Forschung wurden dichte Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen und poröse Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen unter Verwendung von Naphthalin, einem Massenanteil von 1 Prozent Stearinsäure und einem Massenanteil von 3 bis 12 Prozent Ethylenacetat-Ethylen-Copolymer als Bindemittel hergestellt.

Während des Experiments trat aufgrund der direkten Sublimation von Naphthalin in Gas während des Ablösungsprozesses keine flüssige Phase auf und das Probenvolumen änderte sich nicht. Im Gegensatz zur Lösungsmittelentfettung ist die Oberflächenenergie bei der Sublimationsmethode relativ niedrig, sodass häufige Entfettungsfehler wie Verformung und Rissbildung vermieden werden können. Am Ende betrug die relative Dichte der gesinterten Probe 96,6 Prozent und der Kohlenstoffgehalt stieg nicht an.

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

1.2.3 Bindemittel auf Polyoxymethylenbasis

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

Hauptbestandteil dieses Bindemittelsystems ist Polyformaldehyd, im späteren Entwicklungsprozess wird nach und nach Polyethylen (PE) als Gerüstbinder hinzugefügt.

Derzeit hat BASF Spritzgussmaterialien auf Basis dieses Bindemittelsystems hergestellt, die viele Materialien wie niedriglegierten Stahl, Edelstahl, Werkzeugstahl, Titan und Titanlegierungen sowie Keramik abdecken.

Das wesentliche Merkmal von Polyformaldehyd ist seine Empfindlichkeit gegenüber sauren Reagenzien und seine Anfälligkeit für saure Zersetzung. Daher kann der Grünkörper in einer sauren Atmosphäre unterhalb seiner Erweichungstemperatur behandelt werden. Bei der Verarbeitung von Polyoxymethylen handelt es sich um einen festen Zustand, wodurch Fehler wie Risse und Ausdehnungen vermieden werden, die durch das Sieden der Bindemittelbestandteile verursacht werden. Darüber hinaus ist die Verformung gering, die Formbeständigkeit gut und die Größenkontrolle genau.

Darüber hinaus ist die Entfettungsrate aufgrund der hohen Diffusionsrate im Vergleich zu anderen Entfettungsmethoden höher und erreicht das Zehnfache der Geschwindigkeit der herkömmlichen Lösungsmittellösung, während gleichzeitig eine stärkere Entfettung möglich ist [20].

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

Beim katalytischen Entbindungsprozess werden häufig stark korrosive Salpetersäuredämpfe als Katalysator verwendet. Einerseits kann sich Polyformaldehyd während der Herstellung von Injektionsmaterialien und beim Spritzgießen zersetzen und hochgiftiges Formaldehyd erzeugen. Darüber hinaus müssen die Zersetzungsprodukte durch eine zweistufige Verbrennung entfernt werden. Andererseits wirkt sich die saure Atmosphäre, die eine katalytische Rolle spielt, stärker korrosiv auf die Ausrüstung aus und erfordert höhere Investitionen.

1.2.4 Bindemittel auf Wasserbasis

Die lösenden Lösungsmittel (wie Heptan und Hexan) oder die Zersetzungsprodukte der Bindemittelkomponenten (aromatische Verbindungsmonomere und Formaldehyd), die in den oben genannten Bindemittelsystemen verwendet werden, sind mehr oder weniger schädlich für die Umwelt und die Bediener. Daher ist die Entwicklung und Nutzung umweltfreundlicher Lösemittel-Bindemittelsysteme von großer Bedeutung.

Das bestehende umweltfreundliche Bindemittelsystem verwendet Wasser als lösendes Lösungsmittel.

Entsprechend der unterschiedlichen Rolle von Wasser bei der Herstellung von Injektionsmaterialien kann diese Art von Bindemittelsystem in gelbasierte und nicht gelbasierte Bindemittelsysteme unterteilt werden.

Das in nicht gelbasierten Systemen verwendete Polymer ist Polyethylenglykol, das eine gute Leistung aufweist und kostengünstig und leicht erhältlich ist. Polyethylenglykol mit niedrigem Molekulargewicht kann bei 60 °C schnell und nahezu vollständig entfernt werden, wobei der üblicherweise verwendete Molekulargewichtsbereich bei etwa 500-2000 liegt. Das am häufigsten verwendete Gerüstbindemittel ist Polymethylmethacrylat mit einem Molekulargewicht von 10.000.

Sidambe et al. [21] verwendeten eine wasserlösliche Bindemittelkomponente aus Polyethylenglykol-Polymethylmethacrylat-Stearinsäure, um bei einer Pulverbeladungsrate von 69 Prozent zu untersuchen.

Im Experiment wurde Polyethylenglykol in Wasser bei 55 °C nach 5 Stunden vollständig entfernt, und Polymethylmethacrylat wurde in einem heißen, lösenden Argongasstrom bei 44 0 °C vollständig entfernt. Der endgültige Sauerstoffgehalt (Massenanteil) der vorbereiteten Probe beträgt 0,2 Prozent, mit einer entsprechenden Zugfestigkeit von 850-880 MPa und einer Dehnung von 8,5 Prozent -16 Prozent, was der ASTM-Ti-Norm Klasse 5 entspricht.

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

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

Suzuki [24] et al. bereiteten 97,3-prozentige Proben mit relativer Dichte unter Verwendung eines Agar-Bindemittels (Molekulargewicht 82 500) mit einem Massenanteil von 4 Prozent vor. Die Kohlenstoff- und Sauerstoffmassenanteile 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, der Restkohlenstoff- und Sauerstoffgehalt jedoch hoch ist, was zu einer geringeren Sinterdichte, Zugfestigkeit und Dehnung der gesinterten Stücke führt.

Das wasserbasierte, nicht gelbasierte Bindemittel ist leicht zu kontrollieren, die Entfettungsausrüstung ist kostengünstiger als andere Entfettungsmethoden und das Bindemittel ist biologisch abbaubar und ungiftig für Mikroorganismen, aber die Abwasserbehandlung zum Entfetten erfordert zusätzliche Kosten.

Es ist schwierig, die Größe der Endteile zu kontrollieren, die mit einer Spritzgussmasse auf Gelbasis hergestellt werden, und die Zusammensetzung ist nicht stabil genug, so dass die Prozessbedingungen und die Qualitätskontrolle schwierig sind und weitere Forschung und Optimierung noch erforderlich sind.

1.3 Spritzgießen, Debonding und Sintern

Die Parameter des Spritzgussprozesses werden durch die Leistung des Spritzgussmaterials und die geometrische Form des Zielprodukts bestimmt.

Wie bereits erwähnt, ist die Partikelgröße von Titanpulver normalerweise grob, was im Vergleich zum Spritzgießen von Edelstahlmaterial anfällig für eine Trennung des Pulverbinders ist. Vor dem Spritzgießen sollten auf der Grundlage der rheologischen Eigenschaften des Spritzgussmaterials geeignete Umformprozessparameter entwickelt werden, um Fehler im geformten Barren zu reduzieren.

Wang et al. [25] stellten Spritzgussmaterialien unter Verwendung einer Ti-6Al-4V-Legierung in Kombination mit einem Bindemittelsystem auf Pulverwachsbasis her und testeten und analysierten die rheologischen Eigenschaften der Spritzgussmaterialien unter verschiedenen Pulverbeladungsmengen und Temperaturen. Bereitstellung einer Grundlage für die Entwicklung geeigneter Umformparameter für den Spritzgussprozess.

Park et al. bereiteten Injektionsmaterialien unter Verwendung von aerosolisiertem Titanpulver, HDH-Titanpulver und sphäroidisiertem HDH-Titanpulver vor und maßen ihre rheologischen Eigenschaften und ihr Ablösungsverhalten. Sie schlugen einen Formbarkeitsindex für das Injektionsmaterial vor und bewerteten dessen Leistung auf dieser Grundlage. Die Analyseergebnisse lieferten eine theoretische Grundlage für die gleichzeitige Verwendung von HDH-Pulver und aerosolisiertem Pulver im Injektionsmaterialsystem.

Barriere et al. [27] untersuchten anhand experimenteller und numerischer Simulationsverfahren die optimalen Prozessparameter zur Herstellung von Metallspritzgussteilen ohne Defekte und mit den erforderlichen mechanischen Eigenschaften. Basierend auf Modellierungstechniken wurden eine Zweiphasenströmungsgleichung und ein neu entwickelter expliziter Algorithmus verwendet, um Materialtrennungsphänomene während des Injektionsprozesses mithilfe numerischer Simulation vorherzusagen.

Chen et al. [28] verwendeten ein hydriertes, dehydriertes Ti-6Al-4V-Vorlegierungspulver und ein wasserlösliches Bindemittelsystem, um ein spezielles Injektionsmaterial herzustellen, und maßen dann die Entfernungsrate der wasserlöslichen Bindemittelkomponente Polyethylenglykol in Proben unterschiedlicher Dicke bei unterschiedlichen Temperaturen. Um den Debonding-Mechanismus des Bindemittelsystems zu bestimmen, wurde ein diffusionskontrolliertes mathematisches Modell zur Ablösung erstellt.

Sidambe [29] und andere verwendeten die Taguchi-Methoden, um die optimale Kombination aus Sintertemperatur, Zeit, Heizrate, Atmosphäre und anderen Parametern zu bestimmen.

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

Obasi et al. [31] stellten Ti-6Al-4V-Proben mit Eigenschaften her, die den Anforderungen der ASTM B348-02-Titanlegierungsklasse 23 entsprachen, und untersuchten die Auswirkungen von Änderungen in grundlegenden Prozessparametersystemen auf die thermische Entfettungs- und Sinterprozesse von Ti-6Al-4V-Pulver-MIM-Komponenten.

Limberg et al. [32] stellten Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C unter Verwendung einer Mischung elementarer Pulver während des Spritzgussprozesses her und untersuchten die Auswirkungen der Sinterzeit und Atmosphäre auf Zugeigenschaften und Mikrostruktur. Es wurde eine Probe mit einer Zugfestigkeit von etwa 630 MPa erhalten.

Guo et al. [8-9] stellte mithilfe der Spritzgusstechnologie reine Titan- und Ti-6Al-4V-Materialien her und untersuchte die Auswirkungen von Wärmebehandlungsprozessen wie heißisostatischem Pressen und Glühen auf die Eigenschaften dieser Legierungsmaterial. Der Wärmebehandlungseffekt wurde durch Tests der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften qualitativ und quantitativ charakterisiert. Die Mikrostruktur ist in Abbildung 4 dargestellt.

Ein spezielles Injektionsmaterial wird durch Mischen von zerstäubtem Titanpulver, hydriertem dehydriertem Titanpulver und einem Bindemittelsystem auf Wachsbasis hergestellt. Nach dem Spritzgießen erfolgt die Lösungsmittellösung in einer Mischung aus Heptan und Ethanol. Nach dem Erhitzen auf 350, 420 und 600 Grad C mit einer bestimmten Aufheizrate wird der Binder vollständig entfernt und die Sintertemperatur beträgt 3 Stunden lang 1230 Grad C. Schließlich betrugen die Zugeigenschaften der gesinterten Probe 389-419 MPa und die Dehnung betrug 2-4 Prozent.

Die Mitglieder unserer Forschungsgruppe [33] stellten reine Titanproben mithilfe eines Systems aus aerosolisiertem Titanpulver und wasserlöslichem Bindemittel her und untersuchten die Auswirkungen der Sintertemperatur und der Haltezeit auf die Eigenschaften reiner Titanproben. Der Sintervorgang wurde unter einem Vakuum von 10-4-10-3 Pa durchgeführt, mit einer Sintertemperatur von 1350 °C und einer Dehnung von 20,3 Prozent nach dreistündigem Halten. Die Proben entsprechen vollständig der besten pulvermetallurgischen Leistung von ASTM F2989-13, mit einer relativen Dichte von 96,9 Prozent und einer Zugfestigkeit von 443 MPa, Biomedizinischer Reintitanstandard der Güteklasse II.

4 Mikrostrukturen von Ti- (a) und Ti-6Al-4V-Proben (b), hergestellt mit Rohstoffen auf Wachsbasis

2 neue Spritzgussmaterialien aus Titan und Titanlegierungen

Titan und Titanlegierungen werden derzeit häufig in der Orthopädie, zahnmedizinischen Geräten und medizinischen Implantaten verwendet. Aufgrund der unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften zwischen Titan und menschlichem Knochen (mit einem Elastizitätsmodul von etwa 20 GPa) kommt es jedoch zu einer Stressabschirmung an der Grenzfläche zwischen Knochen und Implantat, die die langfristigen klinischen Ergebnisse erheblich beeinträchtigen kann, wie in gezeigt Abbildung 5.

Daher haben Forscher die mechanischen Eigenschaften von Titanmaterialien angepasst, indem sie ihre Struktur und Legierungszusammensetzung verändert haben, um sie näher an die Struktur und Leistung natürlicher Knochen im menschlichen Körper heranzuführen.

5 Vergleich des Elastizitätsmoduls biomedizinischer Titanlegierungen

2.1 Poröse Titanmaterialien und Titankeramik-Verbundwerkstoffe

Poröse Titanmaterialien und neue Titanlegierungssystemmaterialien verfügen über eine geeignete Porenstruktur und mechanische Eigenschaften, was sie zu idealen Materialien für orthopädische Ersatzimplantate macht.

Einerseits kann dadurch die Spannungsungleichheit zwischen Implantat und Knochengewebe wirksam verringert werden, wodurch der Stress-Shielding-Effekt verringert und eine dauerhafte und effektive Funktion des Implantats erreicht wird. Andererseits ist die poröse Struktur eine notwendige Voraussetzung dafür, dass Knochenzellen in den Implantatkörper hineinwachsen können, und die miteinander verbundene poröse Struktur kann den Durchtritt einer großen Menge Körperflüssigkeit ermöglichen, was das Wachstum von Knochenzellen weiter fördert.

Gu et al. bildete eine neue Art von TC4-Legierung mit offener Porenstruktur durch Zugabe von TiH2 als Schaumbildner und Aktivator zu Titan-Aluminium-Vanadium-Elementpulver mit gleichmäßiger Porengrößenverteilung und Porengröße im Bereich von 90 bis 190 μm. Die Porosität beträgt etwa 43 bis 59 Prozent und der Elastizitätsmodul liegt zwischen 5,8 und 9,5 GPa. Motor et al. [35] stellten multimikroporöse Titanlegierungen mithilfe der Pulverspritzgusstechnologie (PIM) in Kombination mit der Porenbildnertechnologie her und untersuchten die Auswirkung der Menge des Porenbildners Polymethylmethacrylat auf die Dichte, Druckfestigkeit und den Elastizitätsmodul der Legierung.

Tuncer et al. [36] verwendeten ein System aus zerstäubtem kugelförmigem Pulver, HDH-Titanpulver und wachsbasiertem Bindemittel, um die Wirkung des Ausgangspulvers auf die Leistung des endgültigen porösen Titanprodukts zu untersuchen, indem sie eine bestimmte Menge NaCl und KCl als Porenbildner hinzufügten. Darüber hinaus wurde durch die Anpassung der Menge an Porenbildnern ein poröses Titanmaterial mit der erforderlichen Porosität und Porengröße für medizinische Implantate erhalten, und die chemische Zusammensetzung des Materials konnte dem Standard für reines Titan der dritten Güteklasse entsprechen.

Chen et al. [37] verwendeten NaCl als Porenbildner und hydriertes, dehydriertes Titanpulver-Injektionsmaterial auf Wachsbasis, um spritzgegossene Proben herzustellen. Die erhaltenen Proben hatten eine Porosität von 42,4 bis 71,6 Prozent und eine Porengröße von 300 μm. Wie in Abbildung 6 dargestellt. Durch Anpassen der verwendeten NaCl-Menge können miteinander verbundene Poren im Injektionsteil gebildet werden, deren mechanische Eigenschaften denen von Spongiosa ähneln.

Barbosa et al. [38] verwendeten erstmals Fe22Cr-Pulver, um die rheologischen Eigenschaften von Injektionsmaterialien mit verschiedenen Bindemittelsystemen zu testen. Basierend auf den Ergebnissen der Leistungstests wurde ein geeignetes Bindemittelsystem auf Wachsbasis ausgewählt. Anschließend wurden Ti-Pulver und Porenbildner NaCl zum Warmpressen und Mehrkomponenten-Spritzgießen kombiniert. Nach dem Entfetten und Sintern wurde eine Wirbelsäulenimplantatkomponente mit dichtem Kern und äußerem Porositätsgradienten hergestellt.

6 Poröses Titan-Spritzgussbauteil mit NaCl als Platzhalter

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

Aufgrund seiner hohen Sprödigkeit und schlechten mechanischen Eigenschaften kann HA jedoch nicht allein als tragende Komponente verwendet werden, was zur Entstehung eines neuen Typs von biomedizinischem Material führt, das aus HA- und Titanmaterialien besteht.

Thian et al. [39-42] untersuchte die Herstellung von Ti6Al4V/HA-Verbundwerkstoffen mittels Spritzgussverfahren. Zunächst wurde Ti6Al4V/HA-Verbundpulver mithilfe der Keramikaufschlämmungsmethode hergestellt. Anschließend wurde das vorbereitete Pulver mit dem handelsüblichen Bindemittel PAN-250S gemischt, um ein spezielles Injektionsmaterial herzustellen. Die rheologischen Eigenschaften des Injektionsmaterials wurden getestet und die Auswirkungen der Heizrate und der Gasströmungsrate der lösenden Atmosphäre auf die lösenden Defekte, die Menge des entfernten Bindemittels und den Restkohlenstoffgehalt während des lösenden Prozesses untersucht; Der Einfluss der Sinterprozessparameter (Heizrate, Sintertemperatur, Haltezeit, Abkühlrate usw.) auf die Leistung der endgültigen Probe, was zu einer Porosität von etwa 50 Prozent der Probe führt; Darüber hinaus wurde der biologische Abbauprozess des vorbereiteten Ti6Al4V/HA-Materials in der Körperflüssigkeitsumgebung analysiert und anhand der Testergebnisse der mechanischen Eigenschaften charakterisiert.

2.2 Neue Titanlegierungsmaterialien

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

Frühe Titanmaterialien verwendeten reines Titan (hauptsächlich bestehend aus Phasen), aber reine Titanmaterialien weisen eine geringere Festigkeit und eine schlechte Verschleißfestigkeit auf, was zur Entwicklung hochfester und hochzäher Materialien wie Ti6Al4V, Ti6Al7Nb und Ti5Al2,5Fe plus Typ-A-Legierung führte .

Aust et al. [43] stellten erfolgreich Knochenschraubenmaterialien mit hervorragender Leistung unter Verwendung von Ti6Al7Nb-Pulver und einem wachsbasierten Bindemittelsystem (Paraffin plus PE plus Stearinsäure) her, wie in Abbildung 7 dargestellt. Das Material hat eine relative Dichte von 97,6 Prozent und eine Zugfestigkeit von 815 MPa , Streckgrenze von 714 MPa und Dehnung von 8,7 Prozent.

Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass Legierungselemente wie Al und V in weit verbreiteten Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen und Titan-Aluminium-Niob-Legierungen zytotoxische Al- und V-Ionen freisetzen, nachdem Implantate in den menschlichen Körper gelangen, was zu Schäden am menschlichen Körper führt.

Infolgedessen führten die Forscher eine Reihe von Experimenten der neuen Generation durch, die biologisch sichere Elemente wie Nb, Ta, Zr, Mo, Sn, aber keine Al- und V-Elemente enthielten, und entwickelten Titanlegierungssysteme.

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{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Aufgrund verschiedener Einschränkungen, wie z. B. der Pulverherstellungstechnologie, werden diese Legierungssysteme in Pulverspritzgussverfahren nicht häufig verwendet.

Zhao et al. [45] verwendeten Titanpulver und Niobpulver für Spritzgussexperimente, um erfolgreich TiNb-Zweiphasenlegierungen mit einer relativen Dichte von etwa 95 Prozent herzustellen. Durch Testen der mechanischen Eigenschaften von Rohlingen, sich lösenden Teilen und Sinterteilen sowie durch Beobachtung und Vergleich der Mikrostruktur von Sinterteilen mit unterschiedlichen Legierungszusammensetzungsgehalten wurde die Auswirkung des Nb-Gehalts auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Legierung untersucht.

Arokiasamy et al. [46] stellten eine Ti-5Fe-5Zr-Legierung her, indem sie Fe- und Zr-Elemente zu HDH-Reintitanpulver hinzufügten, und maßen die mechanischen Eigenschaften der Legierung. Basierend auf den Testergebnissen wurde der Mechanismus der Restporen und die Wirkung von TiC auf die Eigenschaften des Legierungsmaterials ermittelt.

 

Abb.7Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb-Knochenschraube, hergestellt von MIM

3 Ausblick

Das niedrige spezifische Gewicht, die hohe spezifische Festigkeit, die ausgezeichnete Biokompatibilität, Oxidationsbeständigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit von Titan und Titanlegierungen bieten ein großes Entwicklungspotenzial in Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt, Medizin, Chemie, Automobil und täglichen Konsumgütern.

Im Vergleich zu herkömmlichen Verarbeitungstechniken wie Schmieden, Gießen und Bearbeiten bietet die Pulverspritzgusstechnologie offensichtliche Vorteile, wie z. B. eine gleichmäßige Legierungszusammensetzung, eine hohe Rohstoffausnutzungsrate und eine starke Produktionskapazität für große Mengen komplex geformter Teile, die erheblich gefördert werden können die Herstellung und Anwendung von Produkten aus Titan und Titanlegierungen.

Obwohl in der Forschung zum Spritzgießen von Titan und Titanlegierungen einige Fortschritte erzielt wurden, müssen im eigentlichen industriellen Produktionsprozess noch eine Reihe von Problemen gelöst werden, wie z. B. der hohe Preis hochwertiger Pulverrohstoffe sowie unzureichende Umwandlung und Anwendung von neuen hochwertigen Titanlegierungssystemen beim Spritzgießen und Schwierigkeiten bei der Kontrolle der chemischen Zusammensetzung des Produkts.

Darüber hinaus steigt mit der rasanten Entwicklung der Mikrosystemtechnik in den letzten Jahren die Nachfrage nach mikrokomplexen Komponenten für den Einsatz in Mikrosystemen weiter an. Das Pulverspritzgießen muss von traditionellen Produkttypen zu Mikroprodukten übergehen und sich zur Pulver-Mikrospritzgusstechnologie weiterentwickeln.

Derzeit konzentriert sich die Mikrospritzgusstechnologie hauptsächlich auf Materialsysteme wie Polymere und Edelstahl, und es gibt noch viele Probleme, die beim Mikrospritzguss von Titan und Titanlegierungen untersucht werden müssen.

Daher sollte sich die Entwicklung der Spritzgussforschung für Titan und Titanlegierungen auf die Forschung und Entwicklung neuer Titanlegierungssysteme, die Entwicklung einer kostengünstigen und hochwertigen Technologie zur Herstellung von Titanlegierungspulvern und die Untersuchung des Mikrospritzgusses von Titanmaterialien konzentrieren Geeignet für mikrokomplexe Geräte.

Mit der Vertiefung der Forschung zur Spritzgusstechnologie für Titan und Titanlegierungen wird davon ausgegangen, dass die Spritzgusstechnologie für Titan und Titanlegierungen erhebliche Fortschritte machen und dadurch die rasche Entwicklung der Titanindustrie fördern wird.