Технология за шприцоване на прах от титан и титанови сплави

Технология за шприцоване на прах от титан и титанови сплави

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. постигна масово производство чрез непрекъснати изследвания и разработки, иновации, тестване, процеси на леене под налягане на титанов метал и титанови сплави през 2008 г. Ако има клиенти в нужда, моля, изпратете имейл: business- mall@zw-jm.com Дайте го на нашата компания и професионалните инженери ще ви отговорят своевременно в рамките на най-краткия работен ден,

Резюме

Титанът и титановите сплави имат едновременно ниско специфично тегло, висока специфична якост, отлична биосъвместимост и добра устойчивост на корозия и имат голям потенциал за приложение в области като аерокосмическата, биомедицинската, химическата и автомобилната индустрия.

Технологията за шприцоване на прах от титан и титанови сплави (MIM) може да постигне широкомащабна и евтина подготовка на малки и средни сложни титанови продукти, което е от голямо значение за насърчаване на производството и приложението на продукти от титан и титанови сплави .

Тази статия представя характеристиките и предимствата на шприцването на метален прах на титан и титанови сплави. Той обобщава напредъка в научните изследвания на технологията за прахово шприцоване на титан и метални сплави от титан от аспектите на прахообразните суровини, свързващи системи, прахово шприцване, разглобяване и синтероване. В отговор на основните проблеми, които съществуват в момента, той анализира посоката на изследване и перспективите за развитие на шприцването на метален прах на титан и титанови сплави.

Ключови думи титан; титаниева сплав; леене под налягане; Класификационен номер на прогреса на научните изследвания TF125.2; TF125.2 плюс 2

(Бележка на редактора: въведението на английски е пропуснато...)

Тъй като методът за промишлено производство за получаване на метален титан от руда е овладян през 1840 г., титанът и титановите сплави са широко използвани в промишлени и търговски съоръжения. Въпреки това, в сравнение със стоманата, годишното му производство все още е малко и поради високата цена на суровините обхватът на приложението му е ограничен най-вече до морската промишленост, химическата промишленост, космическата промишленост, медицински устройства, импланти, луксозни стоки и други индустрии с високи изисквания към характеристиките на материала.

Понастоящем, в допълнение към високите цени на суровините, трудността при обработката и формоването на титан и титанови сплави значително ограничава обхвата на тяхното приложение.

Обработваемостта на титан и титанови сплави е лоша, а традиционните методи на обработка имат скъпо оборудване и ниска ефективност на обработка, което значително увеличава разходите за обработка; Структурата на титаниевите части, които могат да се обработват, е много проста и поради ограниченията на методите на обработка, повечето от тях не могат да постигнат дизайнерски решения, които могат да увеличат максимално производителността на материала.

В този контекст формоването под налягане на метал (MIM), което има предимствата на високо използване на суровини и ниски производствени разходи за партиди, се превърна в идеален процес за обработка на титан и титанови сплави [1-4].

Процесът на шприцване на метален прах обикновено включва няколко основни процеса като подготовка на материала за шприцване, леене под налягане, разлепване, синтероване и необходимата последваща обработка.

Както е показано на фигура 1, металният прах и органичните свързващи компоненти първо се смесват, смесват и гранулират, за да се подготви инжекционен материал. След това инжекционният материал се инжектира във формата при определена температура и налягане, охлажда се и се деформира, за да се получи зелен продукт със специфична форма. След това, чрез процеса на разделяне, всички органични компоненти, с изключение на металния прах, се отстраняват от зеления продукт, образувайки отделящ се зелен продукт. Накрая се извършва синтероване, за да се получи желаната производителност на продукта.

Технологията за леене под налягане на метален прах е постигнала органична комбинация от леене под налягане и традиционна технология на праховата металургия, преодолявайки недостатъците на високите разходи за обработка, простата форма на традиционния процес на формоване, ниската производствена ефективност на изостатичното пресоване и процеса на леене под налягане, много дефекти в традиционните процес на леене и ниска точност на толерантност. Той значително насърчи производството и приложението на продукти от титан и титанови сплави (както е показано на фигура 2).

1 Диаграма на потока от титан и титанови сплави, произведени от MIM

 

2 Приложения на титан и титанови сплави, произведени от MIM

 

Изследователски статус на леене под налягане на титан и метални сплави от титан

Изследванията показват, че механичните свойства, устойчивостта на корозия и биомедицинските свойства на шприцованите продукти от титан и титанови сплави са силно повлияни от четири аспекта: относителна плътност, съдържание на примеси, елементи на сплавта и микроструктура.

След като продуктът за леене под налягане е синтерован, неговата относителна плътност е около 95 процента и ще има определен дял от остатъчни пори.

Тези остатъчни пори ще станат източник на пукнатини, когато пробата се счупи, и ще имат по-голямо влияние върху якостта на опън, пластичността, якостта на счупване, якостта на умора и други механични свойства на материала. Следователно, колкото по-висока е относителната плътност на шприцованите продукти от титан и титанови сплави, толкова по-добри са техните механични свойства.

Примесните елементи като кислород, въглерод, азот, водород и др., особено кислородът, могат да увеличат границата на провлачване, якостта на опън и твърдостта на материалите, намалявайки пластичността. При температурата на синтероване примесните елементи се разтварят в титанова матрица. Поради липсата на ефективни редуциращи агенти е трудно да се контролират примесните елементи в титан и титанови сплави по време на процеса на синтероване. Това изисква минимизиране на количеството кислород, добавен към суровините и всяка следваща стъпка на процеса.

Микроструктурата на титан и титанови сплави, включително размерът на зърното и фазовият състав след синтероване, може да повлияе на механичните свойства на материала. Като цяло, шприцованите материали от титан и титанови сплави с отлична производителност имат висока плътност, ниско съдържание на примеси (обикновено съдържание на кислород), подходящ състав на сплавта, фин размер на зърното по време на уплътняване и по-малко дефекти [5].

1.1 Прахообразни суровини

Изборът на прахообразни суровини е важна стъпка в процеса на леене под налягане на титанов прах. Разпределението на размера на частиците и морфологията на праха пряко влияят върху течливостта и възможността за формоване на сместа за леене под налягане, запазването на формата на зеленото тяло по време на процеса на разглобяване и степента на свиване по време на процеса на синтероване.

Често използваните методи за приготвяне на прахове от титан и титанови сплави включват механичен метод и метод на атомизация.

Формата на праха, получен чрез механични методи, като топково смилане, топково смилане с разбъркване, високоенергийно вибрационно топково смилане и пулверизация на въздушния поток обикновено е неправилна или ъглова.

Процесът на хидрогениране и дехидрогениране (HDH) използва очевидните характеристики на крехкост на титана след абсорбиране на водород. Той се раздробява чрез механично смилане или раздробяване с въздушен поток и след това се подлага на дехидрогениране, за да се получи титанов прах с неправилна форма, както е показано на фигура 3 (а). Методът на пулверизиране (като пулверизиране с инертен газ, пулверизиране с въртящ се електрод с плазмен лъч и индукционно пулверизиране на газ за топене на електрод) може да се извърши в напълно инертна атмосфера, така че да се поддържа високата чистота на суровия прах. Приготвеният прах е със сферична форма и има доста широко разпределение на размера на частиците, с добра производителност на натрупване, както е показано на Фигура 3 (b).

Освен това, за разлика от технологията на производство на стоманен прах, производството на по-фин титанов прах е по-трудно. С намаляването на размера на частиците специфичната повърхност се увеличава и съдържанието на примесни елементи също се увеличава.

Обикновено MIM използва титанов прах с размер на частиците по-малък от 45 μm. Когато частиците на праха са твърде големи, процесът на инжектиране е предразположен към отделяне на прахообразно свързващо вещество и образуване на дефекти. Необходимо е напълно да се обмисли дизайнът на състава на инжекционния материал и дизайна на формата [5].

Фиг.3 HDH (a) и пулверизиран с газ (b) титанов прах, използван в MIM

1.2 Лепило

Свързващото вещество е носител, който съществува на етапи през целия процес на леене под налягане и основната му функция е да запълва равномерно формата с прах в течно състояние, оформяйки желаната форма и поддържайки я до етапа на предварително синтероване.

В процеса на формоване под налягане свързващото вещество трябва да има следните характеристики: ниска точка на топене, добра омокряемост на прахообразните частици и бързо втвърдяване, което е удобно за приготвяне на материали за инжектиране; Има добра течливост при температура на впръскване; След формоване, той може лесно да бъде отстранен от заготовката, с по-малко остатъчен материал и нетоксични и некорозивни продукти на разлагане.

Най-общо казано, свързващите компоненти включват най-малко главния компонент и вторичните компоненти:

Основният компонент се използва за намокряне на частици от метален прах и осигуряване на необходимата течливост, докато вторичният компонент гарантира, че инжекционното зелено тяло все още има достатъчна здравина по време на процеса на инжектиране и след отстраняването на основния компонент на свързващото вещество.

В повечето случаи свързващата система има трети компонент, като повърхностноактивни вещества, за подобряване на съвместимостта между метални прахове и полимери.

Според различните основни компоненти в свързващите компоненти, често използваните свързващи системи могат да бъдат разделени на системи на основата на восък, системи на базата на ароматни съединения, системи на полиоксиметилен и системи на водна основа.

1.2.1 Свързващо вещество на восъчна основа

Често използваните восъци за системни свързващи вещества на основата на восък включват няколко полимера с къса верига, като парафин, пчелен восък, палмов восък и др. Те имат ниска точка на топене, добра омокряемост, къси молекулни вериги, нисък вискозитет и по-малки промени в обема по време на разлагане в сравнение с други полимери, което е благоприятно за осигуряване на точност на размерите на продукта.

Често използваните вторични компоненти на системи на основата на восък включват полипропилен, полиетилен, съполимер на етилен винил ацетат и полиметилметакрилат с високо молекулно тегло. В допълнение към восъчните и скелетните свързващи вещества обикновено се добавя повърхностно активно вещество като стеаринова киселина, за да се подобри съвместимостта между праха и полимера.

Най-ранната докладвана свързваща система на основата на восък в литературата е Kaneko et al. [6], който използва парафин полибутил метакрилат етилен винил ацетат съполимер дибутил фталат като свързващо вещество и титанов прах за приготвяне на ремарк инжекционен материал. Натоварването на праха беше 56 процента и след разлепване той беше синтерован при 1300 градуса C и 1,3 Pa. Получената синтерована проба имаше относителна плътност от 94 процента и якост на натиск от 1000 MPa, но поради високото съдържание на примеси, нямаше почти никаква пластичност.

Като и др. [7] изследва двуетапен процес на разлепване, съчетаващ вакуумно разлепване и разлепване в аргонова атмосфера, което значително намалява съдържанието на въглерод и кислород в синтерованите части.

Гуо и др. [8-9] използва полиетилен гликол с по-добра омокряемост, за да замени част от парафина и разработи свързваща система от парафин полиетилен полиетилен полипропилен стеаринова киселина, която се използва при леене под налягане на чист титан и титаниево-алуминиево-ванадиеви сплави. Спечените части имаха добро задържане на формата и малко инчово движение на вълната. Поради намаляването на съдържанието на кислород и въглерод, производителността беше значително подобрена, което доведе до добра производителност.

Освен това изследователите са използвали палмов восък като частичен заместител на парафинов восък [10-13] и палмово масло като пълен заместител на парафинов восък [14] за свързваща система на основата на восък, която има добри формиращи ефекти. Въпреки това, поради кислородния елемент, който се съдържа в самия палмов восък, той също е източник на повишаване на кислорода,

Понастоящем оптималната свързваща система на основата на восък, докладвана в литературата, е предложена от Friederici et al. [15]. По време на експерименталния процес бяха формирани четири съотношения на свързващо вещество чрез регулиране на пропорциите на парафин, полиетилен с ниска плътност и стеаринова киселина и различни инжекционни материали бяха формирани, отделени и синтеровани въз основа на тези съотношения. Получена е проба с относителна плътност 98,1 процента и химичен състав, отговарящ на изискванията за вторично чист титан.

Свързващите системи на основата на восък играят важна роля при леене под налягане, но поради ниската ефективност на разлепването на разтворителя с помощта на органични разтворители, изследователите непрекъснато обновяват и разработват нови системи за свързване.

1.2.2 Свързващи вещества на базата на ароматни съединения

Ароматните съединения (като нафталин, антрацен и др.) могат да се разтварят при много ниски температури и при условия на ниско налягане те могат директно да се трансформират от твърдо вещество в газ чрез сублимация при температури под тяхната точка на топене. Използването на ароматни съединения като свързващи компоненти може значително да подобри ефективността на процеса на разлепване.

Weil и др. [16-18] използва ароматни съединения при леене под налягане на прах от титанов метал. В своите изследвания, плътни титаниево-алуминиево-ванадиеви сплави и порести титаниево-алуминиево-ванадиеви сплави бяха получени с помощта на нафталин, 1 процент масова част от стеаринова киселина и 3 процента до 12 процента масова фракция на етилен ацетат етилен съполимер като свързващи вещества.

По време на експеримента, поради директната сублимация на нафталина в газ, не се появи течна фаза по време на процеса на разцепване и обемът на пробата не се промени. За разлика от обезмасляването с разтворител, повърхностната енергия, включена в метода на сублимация, е относително ниска, което означава, че често срещаните дефекти при обезмасляване като деформация и напукване могат да бъдат избегнати. В крайна сметка относителната плътност на синтерованата проба беше 96,6 процента и съдържанието на въглерод не се увеличи.

Въпреки че адхезивната система е постигнала отлична производителност на продукта, ароматните съединения в системата все още оказват влияние върху околната среда и физическото здраве и не са допълнително проучвани или прилагани в голям мащаб.

1.2.3 Свързващо вещество на основата на полиоксиметилен

Полиформалдехидът е използван за първи път в свързващата система от Celanese Corp през 1984 г., а по-късно е разработен от BASF, което прави възможно компонентите на свързващото вещество да не съдържат восък или компоненти с ниско молекулно тегло [19].

Полиформалдехидът е основният компонент на тази свързваща система, а полиетиленът (РЕ) постепенно се добавя като скелетно свързващо вещество по време на по-късния процес на разработка.

Понастоящем BASF е формирал материали за леене под налягане на базата на тази свързваща система, покриваща много материали като нисколегирана стомана, неръждаема стомана, инструментална стомана, титан и титанови сплави и керамика.

Основната характеристика на полиформалдехида е неговата чувствителност към киселинни реагенти и податливостта му към киселинно разлагане. Следователно зеленото тяло може да се третира в кисела атмосфера под температурата на омекване. Процесът на полиоксиметилен е в твърдо състояние, като се избягват дефекти като пукнатини и разширения, причинени от кипене на свързващите компоненти. Освен това деформацията е малка, запазването на формата е добро и контролът на размера е точен.

В допълнение, поради високата скорост на дифузия, в сравнение с други методи за обезмасляване, скоростта на обезмасляване е по-висока, достигайки 10 пъти скоростта на традиционното разлепване с разтворител, като същевременно позволява по-дебело разлепване [20].

Въпреки че свързващата система на основата на полиоксиметилен има много предимства, споменати по-горе, тя има и много недостатъци.

Процесът на каталитично разделяне често използва силно корозивни пари на азотна киселина като катализатор. От една страна, полиформалдехидът може да се разложи по време на подготовката на инжекционните материали и етапите на леене под налягане, произвеждайки силно токсичен формалдехид. Освен това продуктите от разлагането трябва да бъдат отстранени чрез двуетапно изгаряне. От друга страна, киселинната атмосфера, която играе каталитична роля, има по-голяма корозивност за оборудването, което изисква повече инвестиции.

1.2.4 Свързващо вещество на водна основа

Отлепващите разтворители (като хептан и хексан) или продуктите на разлагане на компонентите на свързващия агент (ароматни съединения, мономери и формалдехид), използвани в гореспоменатите няколко системи на свързващ агент, са повече или по-малко вредни за околната среда и операторите. Следователно, разработването и използването на екологично чисти системи за свързващи агенти с разтворители е от голямо значение.

Съществуващата екологично чиста свързваща система използва вода като разтворител за разглобяване.

Според различните роли на водата в подготовката на инжекционните материали, този вид свързваща система може да бъде разделена на базирана на гел и на основа без гел.

Обичайният полимер, използван в системи без гел, е полиетилен гликолът, който има добра производителност и е евтин и лесен за получаване. Полиетилен гликолът с ниско молекулно тегло може да бъде бързо и почти напълно отстранен при 60 градуса C, с често използван диапазон на молекулно тегло от около 500-2000. Обикновено използваното скелетно свързващо вещество е полиметилметакрилат с молекулно тегло 10000.

Sidambe и др. [21] използва водоразтворим свързващ компонент от полиетилен гликол полиметилметакрилат стеаринова киселина за изследване при степен на зареждане на прах от 69 процента.

В експеримента полиетилен гликолът беше напълно отстранен във вода при 55 градуса C след 5 часа, а полиметилметакрилатът беше напълно отстранен в поток от горещ газ от аргон при 440 градуса C. Крайното съдържание на кислород (масова фракция) от подготвената проба е 0,2 процента, със съответна якост на опън от 850-880 MPa и удължение от 8,5 процента -16 процента, отговарящи на стандарта ASTM клас 5 Ti.

Повечето свързващи вещества на основата на гел са естествени вещества, като целулоза, нишестен агар и др.

Tokura и др. [22] използва агар за заместване на полимерни свързващи вещества при леене под налягане на титанов прах и изследва термичната стабилност, разтворимостта и вискозитета на инжекционния материал на тази свързваща система.

Сузуки [24] и др. подготви 97,3 процента проби с относителна плътност, използвайки агар (молекулно тегло 82 500) свързващо вещество, съдържащо 4 процента масова фракция. Масовите фракции на въглерода и кислорода в пробите са съответно 0.33 процента и 0.3 процента. Границата на провлачване е 539 MPa, а удължението е около 10 процента. Експерименталните резултати показват, че когато се използва агар с високо молекулно тегло, силата на гела се увеличава, но съдържанието на остатъчен въглерод и кислород е високо, което води до по-ниска плътност на синтероване, якост на опън и удължение на синтерованите парчета.

Свързващото вещество на водна основа без гел е лесно за контролиране, оборудването за обезмасляване е по-евтино от другите методи за обезмасляване, а свързващото вещество е биоразградимо и нетоксично за микроорганизмите, но третирането на отпадъчни води за обезмасляване изисква допълнителни разходи.

Трудно е да се контролира размерът на крайните части, произведени от смес за формоване под налягане на свързваща система на базата на гел, а съставът не е достатъчно стабилен, така че условията на процеса и контролът на качеството са трудни и все още са необходими допълнителни изследвания и оптимизация.

1.3 Инжекционно формоване, разлепване и синтероване

Параметрите на процеса на леене под налягане се определят от производителността на шприцования материал и геометричната форма на целевия продукт.

Както бе споменато по-рано, размерът на частиците на титановия прах обикновено е груб, което е предразположено към отделяне на прахообразно свързващо вещество в сравнение с шприцването на материал от неръждаема стомана. Преди формоването под налягане трябва да се разработят подходящи параметри на процеса на формоване въз основа на реологичните свойства на материала за впръскване, за да се намалят дефектите във формованата заготовка.

Wang и др. [25] подготвиха материали за леене под налягане, използвайки сплав Ti-6Al-4V, комбинирана със свързваща система на основата на прахообразен восък, и тестваха и анализираха реологичните свойства на материалите за шприцване при различни количества и температури на прахообразно натоварване, осигуряване на основа за разработване на подходящи параметри на формоване за процеса на леене под налягане.

Парк и др. приготвени инжекционни материали с помощта на аерозолиран титанов прах, HDH титанов прах и сфероидизиран HDH титанов прах и измерени техните реологични свойства и поведение при разлепване. Те предложиха индекс на формоспособност за инжекционния материал и оцениха неговото представяне въз основа на това. Резултатите от анализа предоставиха теоретична основа за едновременната употреба на HDH прах и аерозолен прах в системата на инжекционния материал.

Barriere и др. [27] изследва оптималните параметри на процеса за производство на метални шприцовани части без дефекти и с необходимите механични свойства въз основа на експериментални и числени симулационни процеси. Въз основа на техники за моделиране, двуфазно уравнение на потока и новоразработен ясен алгоритъм бяха използвани за прогнозиране на явленията за разделяне на материала по време на процеса на инжектиране с помощта на числена симулация.

Чен и др. [28] използва хидрогениран дехидрогениран Ti-6Al-4V прах от предварителна сплав и водоразтворима свързваща система за приготвяне на инжекционен материал за забележка и след това измерва скоростта на отстраняване на водоразтворимия свързващ компонент полиетилен гликол в проби с различна дебелина при различни температури. Създаден е математически модел на разлепване с контролирана дифузия, за да се определи механизмът на разлепване на свързващата система.

Sidambe [29] и други използваха методите на Taguchi за определяне на оптималната комбинация от температура на синтероване, време, скорост на нагряване, атмосфера и други параметри.

Nor et al. [30] подготви Ti – 6Al – 4V инжекционен материал чрез използване на палмов стеарат и полиетиленова свързваща система и формулира оптималния производствен процес чрез използване на методите на Taguchi. Накрая беше получена проба с граница на провлачване от 934,4 MPa и удължение от 10 процента и нейните цялостни характеристики отговаряха на изискванията на ASTM B348-02 медицинска титанова сплав.

Obasi и др. [31] подготви образци от Ti-6Al-4V със свойства, отговарящи на изискванията на ASTM B348-02 титаниева сплав клас 23, и изследва ефектите от промените в основните системи на параметрите на процеса върху топлинната процеси на обезмасляване и синтероване на Ti-6Al-4V прахообразни MIM компоненти.

Лимберг и др. [32] подготви Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C, използвайки смес от елементарни прахове по време на процеса на леене под налягане, и изследва ефектите от времето за синтероване и атмосфера върху свойствата на опън и микроструктурата. Получава се образец с якост на опън около 630 MPa.

Гуо и др. [8-9] подготви материали от чист титан и Ti-6Al-4V, използвайки технология за леене под налягане, и проучи ефектите от процеси на топлинна обработка, като горещо изостатично пресоване и отгряване върху свойствата на материал от сплав. Ефектът от термичната обработка беше качествено и количествено характеризиран чрез тестване на микроструктура и механични свойства и неговата микроструктура е показана на фигура 4.

Инжекционният материал за забележка се приготвя чрез смесване на пулверизиран титанов прах, хидрогениран дехидрогениран титанов прах и свързваща система на основата на восък. След леене под налягане, разлепването на разтворителя се извършва в смес от хептан и етанол. Свързващото вещество се отстранява напълно след нагряване до 350, 420 и 600 градуса C при определена скорост на нагряване, а температурата на синтероване е 1230 градуса C за 3 часа. И накрая, свойствата на опън на синтерованата проба бяха 389-419 MPa, а удължението беше 2-4 процента.

Членовете на нашата изследователска група [33] подготвиха проби от чист титан, използвайки система от аерозолиран титанов прах и водоразтворимо свързващо вещество и проучиха ефектите от температурата на синтероване и времето на задържане върху свойствата на пробите от чист титан. Процесът на синтероване се провежда при степен на вакуум от 10-4-10-3 Pa, с температура на синтероване от 1350 градуса C и удължение от 20,3 процента, получено след задържане в продължение на 3 часа. Пробите напълно отговарят на най-добрите характеристики на праховата металургия на ASTM F2989-13, с относителна плътност от 96,9 процента и якост на опън от 443 MPa, биомедицински клас II стандарт за чист титан.

4 Микроструктури на Ti (a) и Ti-6Al-4V (b) проби, приготвени от суровини на основата на восък

2 нови титанови и титанови сплави за леене под налягане

Титанът и титановите сплави в момента се използват широко в ортопедията, стоматологичното оборудване и медицинските импланти. Въпреки това, поради разликата в механичните свойства между титана и човешката кост (с модул на еластичност от около 20 GPa), на интерфейса кост/имплант се генерират ефекти на екраниране на напрежението, което може значително да компрометира дългосрочните клинични резултати, както е показано в Фигура 5.

Ето защо изследователите са коригирали механичните свойства на титаниевите материали чрез промяна на тяхната структура и състав на сплавта, правейки ги по-близки до структурата и работата на естествените кости в човешкото тяло.

5 Сравнение на модула на еластичност на биомедицински титанови сплави

2.1 Порести титанови материали и титанови керамични композити

Порестите титанови материали и новите системни материали от титанови сплави имат подходяща структура на порите и механични свойства, което ги прави идеални материали за ортопедични заместващи импланти.

От една страна, той може ефективно да намали несъответствието на напрежението между импланта и костната тъкан, като по този начин намали ефекта на екраниране на напрежението и постига дълготрайна и ефективна функция на импланта; От друга страна, порестата структура е необходимо условие за растежа на костните клетки в тялото на импланта, а взаимосвързаната пореста структура може да позволи преминаването на голямо количество телесна течност, като допълнително насърчава растежа на костните клетки.

Gu и др. формира нов тип TC4 сплав със структура на отворени пори чрез добавяне на TiH2 като разпенващ агент и активатор към прах от титанов алуминиев ванадиев елемент, с равномерно разпределение на размера на порите и размер на порите, вариращ от 90 до 190 μm. Порьозността е около 43% ~59%, а модулът на еластичност варира от 5,8 до 9,5 GPa. Двигател и др. [35] подготвиха мултимикропорести титанови сплави, използвайки технология за шприцоване на прах (PIM), комбинирана с технология за образуване на пори, и изследваха ефекта на количеството на образуващия пори агент полиметилметакрилат върху плътността, якостта на натиск и модула на еластичност на сплавта.

Tuncer и др. [36] използва система от атомизиран сферичен прах, HDH титанов прах и свързващо вещество на основата на восък, за да изследва ефекта на първоначалния прах върху работата на крайния порест титанов продукт чрез добавяне на определено количество NaCl и KCl като агенти, образуващи пори. Освен това, чрез регулиране на количеството на агентите, образуващи пори, беше получен порест титанов материал с необходимата порьозност и размер на порите за медицински импланти, а химичният състав на материала можеше да отговаря на стандарта за чист титан от трети клас.

Чен и др. [37] използва NaCl като агент, образуващ пори, и хидрогениран дехидрогениран титанов прах на базата на восък за инжектиране, за да подготви инжекционно формовани проби. Получените проби имат порьозност от 42,4% ~71,6% и размер на порите от 300 μm. Както е показано на Фигура 6. Чрез регулиране на използваното количество NaCl могат да се образуват свързани пори вътре в частта за инжектиране и техните механични свойства са подобни на тези на порестата кост.

Барбоза и др. [38] за първи път използва Fe22Cr прах за тестване на реологичните свойства на инжекционните материали с различни свързващи системи. Въз основа на резултатите от теста за ефективност беше избрана подходяща свързваща система на основата на восък. След това Ti прах и порообразуващият агент NaCl бяха комбинирани за топло пресоване и многокомпонентно леене под налягане. След обезмасляване и синтероване беше подготвен компонент на гръбначния имплант с плътна сърцевина и външен градиент на порьозност.

6 Компонент за леене под налягане от порест титан, използващ NaCl като пространствен държач

Хидроксиапатитът (HA), със същия химичен състав и кристална структура като човешката естествена костна тъкан, има уникални предимства при заместване и костна реконструкция и започва да играе все по-важна роля в биомедицинските устройства.

Въпреки това, поради високата си крехкост и лоши механични свойства, HA не може да се използва само като носещ компонент, което води до появата на нов тип биомедицински материал, съставен от HA и титанови материали.

Thian и др. [39-42] проучи приготвянето на Ti6Al4V/HA композитни материали, използвайки метода на леене под налягане. Първо, Ti6Al4V/HA композитен прах беше приготвен по метода на керамичната суспензия. След това приготвеният прах се смесва с търговско свързващо вещество PAN-250S, за да се приготви репликационен инжекционен материал. Бяха тествани реологичните свойства на инжекционния материал и бяха изследвани ефектите от скоростта на нагряване и скоростта на газовия поток в атмосферата на разлепване върху дефектите на разлепване, количеството на отстраненото свързващо вещество и съдържанието на остатъчен въглерод по време на процеса на разлепване; Ефектът от параметрите на процеса на синтероване (скорост на нагряване, температура на синтероване, време на задържане, скорост на охлаждане и т.н.) върху работата на крайната проба, което води до порьозност от около 50 процента от пробата; В допълнение, процесът на биологично разграждане на приготвения Ti6Al4V/HA материал в средата на телесната течност беше анализиран и характеризиран чрез резултатите от изпитването на механичните свойства.

2.2 Нови материали от титанови сплави

Биомедицинското поле, като важен клон на приложението на титанови материали, посоката на търсенето на приложението пряко влияе върху тенденцията на развитие на титановите материали.

Ранните титанови материали използват чист титан（ Основно съставени от фази, но чистите титанови материали имат по-ниска якост и слаба устойчивост на износване, което води до разработването на материали с висока якост и висока якост, представени от Ti6Al4V, Ti6Al7Nb и Ti5Al2.5Fe плюс сплав тип А .

Aust и др. [43] успешно произведе материали за костни винтове с отлична производителност, използвайки прах Ti6Al7Nb и свързваща система на основата на восък (парафин плюс PE плюс стеаринова киселина), както е показано на фигура 7. Материалът има относителна плътност от 97,6 процента, якост на опън от 815 MPa , граница на провлачване от 714 MPa и удължение от 8,7 процента.

Резултатите от изследванията показват, че елементи от сплави като Al и V в широко използвани титаниево-алуминиево-ванадиеви сплави и титаново-алуминиево-ниобиеви сплави освобождават цитотоксични Al и V йони, след като имплантите навлязат в човешкото тяло, причинявайки вреда на човешкото тяло.

В резултат на това изследователите проведоха серия от експерименти от ново поколение, които съдържат елементи за биобезопасност като Nb, Ta, Zr, Mo, Sn, но не и Al и V елементи. Разработване на системи от титанови сплави.

В момента разработените и изследвани биологични титанови сплави включват главно Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr и Ti{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Поради различни ограничения, като например технологията за производство на прах, тези системи от сплави не се използват широко в процесите на леене под налягане на прах.

Джао и др. [45] използва титанов прах и ниобиев прах за експерименти за леене под налягане, за да подготви успешно TiNb двуфазови сплави с относителна плътност от около 95 процента. Чрез тестване на механичните свойства на необработени заготовки, отделящи се части и синтеровани части, както и наблюдение и сравняване на микроструктурата на синтеровани части с различно съдържание на състава на сплавта, е изследван ефектът на съдържанието на Nb върху микроструктурата и механичните свойства на сплавта.

Arokiasamy и др. [46] приготвя сплав Ti-5Fe-5Zr чрез добавяне на Fe и Zr елементи към HDH чист титанов прах и измерва механичните свойства на сплавта. Въз основа на резултатите от теста е получен механизмът на остатъчните пори и ефектът на TiC върху свойствата на материала на сплавта.

 

Фиг.7Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb костен винт, изготвен от MIM

3 Outlook

Ниското специфично тегло, високата специфична якост, отличната биосъвместимост, устойчивостта на окисление и добрата устойчивост на корозия на титан и титанови сплави имат голям потенциал за развитие в приложения като аерокосмическа, медицинска, химическа, автомобилна и потребителски стоки.

В сравнение с традиционните техники за обработка като коване, леене и машинна обработка, технологията за прахово леене под налягане има очевидни предимства, като еднакъв състав на сплавта, висока степен на използване на суровините и силен производствен капацитет за големи количества части със сложна форма, което може значително да насърчи производство и приложение на продукти от титан и титанови сплави.

Въпреки че е постигнат известен напредък в изследванията на шприцоването на титан и титанови сплави, редица проблеми все още трябва да бъдат решени в действителния промишлен производствен процес, като например високата цена на висококачествени прахообразни суровини, недостатъчно преобразуване и приложение на нови висококачествени системи от титанови сплави за леене под налягане и трудност при контролиране на химическия състав на продукта.

В допълнение, с бързото развитие на микросистемната технология през последните години, търсенето на микрокомплексни компоненти, прилагани в микросистемите, продължава да нараства. Праховото шприцване трябва да премине от традиционни типове продукти към микро продукти и да се развие в технология за прахово микро шприцване.

Понастоящем технологията за микро леене под налягане е фокусирана най-вече върху материални системи като полимери и неръждаема стомана и все още има много въпроси, които трябва да бъдат проучени при микро леенето под налягане на титан и титанови сплави.

Следователно, развитието на изследванията за леене под налягане на титан и титаниеви сплави трябва да се съсредоточи върху изследването и разработването на нови системи от титаниеви сплави, разработването на евтина и висококачествена технология за приготвяне на прах от титаниеви сплави и изследването на микро леене под налягане на титанов материал подходящ за микро сложни устройства.

Със задълбочаването на изследванията върху технологията за леене под налягане на титан и титанови сплави се смята, че технологията за леене под налягане на титан и титанови сплави ще постигне значителен напредък, като по този начин ще насърчи бързото развитие на титановата индустрия.