Tecnología de moldeo por inyección de polvo de metal de aleación de titanio y titanio

Tecnología de moldeo por inyección de polvo de metal de aleación de titanio y titanio

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. logró la producción en masa a través de la investigación y el desarrollo continuos, la innovación, las pruebas, el metal de titanio y los procesos de moldeo por inyección de aleación de titanio en 2008. Si hay clientes que lo necesitan, envíe un correo electrónico: negocios- mall@zw-jm.com Entréguelo a nuestra empresa e ingenieros profesionales le responderán de manera oportuna dentro del día hábil más corto.

Resumen

El titanio y las aleaciones de titanio tienen una gravedad específica baja, una fuerza específica alta, una biocompatibilidad excelente y una buena resistencia a la corrosión, y tienen un gran potencial de aplicación en campos como el aeroespacial, biomédico, químico y automotriz.

La tecnología de moldeo por inyección de polvo metálico (MIM) de titanio y aleaciones de titanio puede lograr una preparación a gran escala y de bajo costo de productos de titanio de formas complejas pequeñas y medianas, lo cual es de gran importancia para promover la producción y aplicación de productos de titanio y aleaciones de titanio .

Este artículo presenta las características y ventajas del moldeo por inyección de polvo metálico de titanio y aleaciones de titanio. Resume el progreso de la investigación de la tecnología de moldeo por inyección de polvo de metal de aleación de titanio y titanio desde los aspectos de materias primas en polvo, sistemas aglutinantes, moldeo por inyección de polvo, desunión y sinterización. En respuesta a los principales problemas existentes en la actualidad, se analiza la dirección de la investigación y las perspectivas de desarrollo del moldeo por inyección de polvos metálicos de titanio y aleaciones de titanio.

Palabras clave titanio; Aleación de titanio; Moldeo por inyección; Número de clasificación de progreso de investigación TF125.2; TF125.2 más 2

(Nota del editor: se omite la introducción en inglés...)

Desde que se dominó el método de producción industrial para obtener titanio metálico a partir de minerales en la década de 1840, el titanio y las aleaciones de titanio se han utilizado ampliamente en instalaciones industriales y comerciales. Sin embargo, en comparación con el acero, su producción anual sigue siendo pequeña y, debido al alto costo de las materias primas, su ámbito de aplicación se limita principalmente a la industria marina, la industria química, la industria aeroespacial, los dispositivos médicos, los implantes, los artículos de lujo y otras industrias. con altos requisitos para el rendimiento del material.

En la actualidad, además de los altos precios de las materias primas, la dificultad de procesar y formar titanio y aleaciones de titanio limita en gran medida su ámbito de aplicación.

La maquinabilidad del titanio y las aleaciones de titanio es deficiente, y los métodos de maquinado tradicionales tienen equipos costosos y baja eficiencia de procesamiento, lo que aumenta considerablemente sus costos de procesamiento; La estructura de las piezas de titanio que se pueden mecanizar es muy simple y, debido a las limitaciones de los métodos de procesamiento, la mayoría de ellas no pueden lograr soluciones de diseño que puedan maximizar el rendimiento del material.

En este contexto, el moldeo por inyección de metal (MIM), que tiene las ventajas de una alta utilización de materia prima y un bajo costo de producción por lotes, se ha convertido en un proceso ideal de procesamiento de titanio y aleaciones de titanio [1-4].

El proceso de moldeo por inyección de polvo metálico generalmente incluye varios procesos básicos, como la preparación del material de inyección, el moldeo por inyección, el desprendimiento, la sinterización y el procesamiento posterior necesario.

Como se muestra en la Figura 1, los componentes del polvo metálico y del aglutinante orgánico se mezclan, mezclan y granulan primero para preparar un material de inyección. Luego, el material de inyección se inyecta en el molde a una determinada temperatura y presión, se enfría y se desmolda para obtener un producto verde con una forma específica. Luego, a través del proceso de desunión, todos los componentes orgánicos, excepto el polvo metálico, se eliminan del producto verde, formando un producto verde desligante. Finalmente, se realiza la sinterización para obtener el rendimiento deseado del producto.

La tecnología de moldeo por inyección de polvo metálico ha logrado una combinación orgánica de moldeo por inyección y tecnología tradicional de pulvimetalurgia, superando las desventajas del alto costo de mecanizado, la forma simple del proceso de moldeo tradicional, la baja eficiencia de producción del prensado isostático y el proceso de moldeo por inyección, muchos defectos en tradicional proceso de fundición y precisión de baja tolerancia. Ha promovido en gran medida la producción y aplicación de productos de titanio y aleaciones de titanio (como se muestra en la Figura 2).

1 Diagrama de flujo de titanio y aleaciones de titanio fabricados por MIM

 

2 Aplicaciones de titanio y aleaciones de titanio fabricadas por MIM

 

Estado de investigación del moldeo por inyección de polvo de metal de aleación de titanio y titanio

La investigación ha demostrado que las propiedades mecánicas, la resistencia a la corrosión y las propiedades biomédicas de los productos moldeados por inyección de titanio y aleaciones de titanio están muy influenciadas por cuatro aspectos: densidad relativa, contenido de impurezas, elementos de aleación y microestructura.

Después de sinterizar el producto de moldeo por inyección, su densidad relativa es de aproximadamente el 95 por ciento y habrá una cierta proporción de poros residuales.

Estos poros residuales se convertirán en la fuente de grietas cuando la muestra se rompa y tendrán un mayor impacto en la resistencia a la tracción, ductilidad, tenacidad a la fractura, resistencia a la fatiga y otras propiedades mecánicas del material. Por lo tanto, cuanto mayor sea la densidad relativa de los productos moldeados por inyección de titanio y aleaciones de titanio, mejores serán sus propiedades mecánicas.

Los elementos de impureza como el oxígeno, el carbono, el nitrógeno, el hidrógeno, etc., especialmente el oxígeno, pueden aumentar el límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza de los materiales, reduciendo la ductilidad. A la temperatura de sinterización, los elementos de impureza se disuelven en la matriz de titanio. Debido a la falta de agentes reductores efectivos, es difícil controlar los elementos de impureza en el titanio y las aleaciones de titanio durante el proceso de sinterización. Esto requiere minimizar la cantidad de oxígeno agregado a las materias primas y cada paso posterior del proceso.

La microestructura del titanio y las aleaciones de titanio, incluidos el tamaño del grano y la composición de la fase después de la sinterización, pueden afectar las propiedades mecánicas del material. En general, el titanio moldeado por inyección y los materiales de aleación de titanio con excelente rendimiento tienen alta densidad, bajo contenido de impurezas (generalmente contenido de oxígeno), composición de aleación adecuada, tamaño de grano fino durante la densificación y menos defectos [5].

1.1 Materias primas en polvo

La selección de materias primas en polvo es un paso importante en el proceso de moldeo por inyección de polvo de titanio. La distribución del tamaño de partícula y la morfología del polvo afectan directamente la fluidez y formabilidad del compuesto de moldeo por inyección, la retención de forma del cuerpo verde durante el proceso de desunión y la tasa de contracción durante el proceso de sinterización.

Los métodos comúnmente utilizados para preparar polvos de titanio y aleaciones de titanio incluyen el método mecánico y el método de atomización.

La forma del polvo obtenido por métodos mecánicos tales como molienda de bolas, molienda de bolas con agitación, molienda de bolas con vibración de alta energía y pulverización con flujo de aire es generalmente irregular o angular.

El proceso de hidrogenación y deshidrogenación (HDH) utiliza las evidentes características de fragilización del titanio después de la absorción de hidrógeno. Se tritura mediante molienda mecánica o trituración con flujo de aire y luego se somete a deshidrogenación para obtener polvo de titanio de forma irregular, como se muestra en la Figura 3 (a). El método de atomización (como la atomización con gas inerte, la atomización con electrodo giratorio de haz de plasma y la atomización con gas de fusión por inducción de electrodo) puede llevarse a cabo en una atmósfera completamente inerte, para mantener la alta pureza del polvo crudo. El polvo preparado tiene forma esférica y una distribución de tamaño de partícula bastante amplia, con un buen rendimiento de apilamiento, como se muestra en la Figura 3 (b).

Además, a diferencia de la tecnología de producción de polvo de acero, la producción de polvo de titanio más fino es más difícil. A medida que disminuye el tamaño de partícula, aumenta el área de superficie específica y también aumenta el contenido de elementos de impureza.

Por lo general, MIM utiliza polvo de titanio con un tamaño de partícula de menos de 45 μ m. Cuando las partículas de polvo son demasiado grandes, el proceso de inyección es propenso a la separación del aglutinante de polvo y la formación de defectos. Es necesario considerar completamente el diseño de la composición del material de inyección y el diseño del molde [5].

Fig. 3 HDH (a) y polvo de titanio atomizado con gas (b) utilizado en MIM

1.2 Adhesivo

El ligante es un portador que existe por etapas a lo largo de todo el proceso de moldeo por inyección, y su función principal es llenar uniformemente el molde con polvo en estado fluido, dándole la forma deseada, y manteniéndola hasta la etapa de presinterización.

En el proceso de moldeo por inyección, el aglutinante debe tener las siguientes características: bajo punto de fusión, buena humectabilidad a las partículas de polvo y rápida solidificación, lo cual es conveniente para la preparación de materiales de inyección; Tiene buena fluidez a la temperatura de inyección; Después de la formación, se puede quitar fácilmente de la palanquilla, con menos material residual y productos de descomposición no tóxicos y no corrosivos.

En términos generales, los componentes del ligante incluyen al menos el componente principal y los componentes secundarios:

El componente principal se utiliza para humedecer las partículas de polvo metálico y proporcionar la fluidez necesaria, mientras que el componente secundario garantiza que el cuerpo verde de inyección siga teniendo la resistencia suficiente durante el proceso de inyección y después de la eliminación del componente principal del aglutinante.

En la mayoría de los casos, el sistema aglutinante tiene un tercer componente, como los tensioactivos, para mejorar la compatibilidad entre los polvos metálicos y los polímeros.

De acuerdo con los diferentes componentes principales en los componentes aglutinantes, los sistemas aglutinantes comúnmente utilizados se pueden dividir en sistemas a base de cera, sistemas a base de compuestos aromáticos, sistemas de polioximetileno y sistemas a base de agua.

1.2.1 Aglutinante a base de cera

Las ceras comúnmente utilizadas para los aglutinantes de sistemas a base de cera incluyen varios polímeros de cadena corta como parafina, cera de abejas, cera de palma, etc. Tienen un punto de fusión bajo, buena humectabilidad, cadenas moleculares cortas, baja viscosidad y cambios de volumen más pequeños durante la descomposición en comparación con otras ceras. polímeros, lo que es propicio para garantizar la precisión dimensional del producto.

Los componentes secundarios comúnmente utilizados de los sistemas a base de cera incluyen polipropileno, polietileno, copolímero de etileno acetato de vinilo y metacrilato de polimetilo de alto peso molecular. Además de los aglutinantes de cera y esqueleto, generalmente se agrega un tensioactivo como el ácido esteárico para mejorar la compatibilidad entre el polvo y el polímero.

El primer sistema aglutinante a base de cera informado en la literatura fue Kaneko et al. [6], que utilizó ftalato de dibutilo copolímero de etileno acetato de vinilo metacrilato de polibutilo de parafina como aglutinante y polvo de titanio para preparar un material de inyección de comentarios. La carga de polvo fue del 56 por ciento y, después del desprendimiento, se sinterizó a 1300 grados C y 1,3 Pa. La muestra sinterizada obtenida tenía una densidad relativa del 94 por ciento y una resistencia a la compresión de 1000 MPa, pero debido al alto contenido de impurezas, casi no tenía ductilidad.

Kato et al. [7] estudiaron un proceso de descementado en dos pasos que combinaba el descementado al vacío y el descementado en atmósfera de argón, lo que redujo significativamente el contenido de carbono y oxígeno en las piezas sinterizadas.

Guo et al. [8-9] usó polietilenglicol con mejor humectabilidad para reemplazar parte de la parafina y desarrolló un sistema aglutinante de ácido esteárico de parafina polietileno polietileno polipropileno, que se usó en el moldeo por inyección de aleaciones de titanio puro y titanio aluminio vanadio. Las piezas sinterizadas tenían una buena retención de la forma y un movimiento ondulatorio de pequeñas pulgadas. Debido a la reducción del contenido de oxígeno y carbono, el rendimiento mejoró mucho, lo que resultó en un buen rendimiento.

Además, los investigadores han utilizado cera de palma como sustituto parcial de la cera de parafina [10-13] y aceite de palma como sustituto completo de la cera de parafina [14] para un sistema aglutinante a base de cera, que tiene buenos efectos de formación. Sin embargo, debido al elemento oxígeno contenido en la cera de palma, también es una fuente de mejora del oxígeno,

En la actualidad, el sistema aglutinante óptimo a base de cera informado en la literatura fue propuesto por Friederici et al. [15]. Durante el proceso experimental, se formaron cuatro proporciones de aglomerante ajustando las proporciones de parafina, polietileno de baja densidad y ácido esteárico, y se formaron, separaron y sinterizaron diferentes materiales de inyección en función de estas proporciones. Se obtuvo una muestra con una densidad relativa del 98,1 por ciento y una composición química que cumple con los requisitos del titanio puro secundario.

Los sistemas de aglomerantes a base de cera desempeñan un papel importante en el moldeo por inyección, pero debido a la baja eficiencia de la desunión con disolventes orgánicos, los investigadores han innovado y desarrollado continuamente nuevos sistemas aglutinantes.

1.2.2 Aglutinantes a base de compuestos aromáticos

Los compuestos aromáticos (como naftaleno, antraceno, etc.) pueden disolverse a muy bajas temperaturas y, en condiciones de baja presión, pueden transformarse directamente de sólido a gas por sublimación a temperaturas por debajo de su punto de fusión. El uso de compuestos aromáticos como componentes aglutinantes puede mejorar en gran medida la eficiencia del proceso de desunión.

Weil et al. [16-18] utilizó compuestos aromáticos en el moldeo por inyección de polvo metálico de titanio. En su investigación, se prepararon aleaciones densas de titanio, aluminio y vanadio y aleaciones porosas de titanio, aluminio y vanadio utilizando naftaleno, 1 % de fracción de masa de ácido esteárico y 3 % a 12 % de fracción de masa de copolímero de etileno acetato de etileno como aglutinantes.

Durante el experimento, debido a la sublimación directa de naftaleno en gas, no apareció ninguna fase líquida durante el proceso de desunión y el volumen de la muestra no cambió. A diferencia del desengrasado con disolventes, la energía superficial involucrada en el método de sublimación es relativamente baja, lo que significa que se pueden evitar los defectos comunes del desengrasado, como la deformación y el agrietamiento. Al final, la densidad relativa de la muestra sinterizada fue del 96,6 % y el contenido de carbono no aumentó.

Aunque el sistema adhesivo ha logrado un excelente rendimiento del producto, los compuestos aromáticos del sistema todavía tienen un impacto sobre el medio ambiente y la salud física, y no se han estudiado ni aplicado a gran escala.

1.2.3 Ligante a base de polioximetileno

El poliformaldehído fue utilizado por primera vez en el sistema aglutinante por Celanese Corp en 1984 y luego desarrollado por BASF, lo que hace posible que los componentes del aglutinante no contengan cera ni componentes de bajo peso molecular [19].

El poliformaldehído es el componente principal de este sistema aglutinante, y el polietileno (PE) se agrega gradualmente como aglutinante básico durante el proceso de desarrollo posterior.

En la actualidad, BASF ha formado materiales de moldeo por inyección basados ​​en este sistema aglomerante, cubriendo muchos materiales como acero de baja aleación, acero inoxidable, acero para herramientas, titanio y aleaciones de titanio y cerámica.

La característica significativa del poliformaldehído es su sensibilidad a los reactivos ácidos y su susceptibilidad a la descomposición ácida. Por lo tanto, el cuerpo verde se puede tratar en una atmósfera ácida por debajo de su temperatura de reblandecimiento. El proceso de polioximetileno es en estado sólido, evitando defectos como fisuras y dilataciones provocadas por la ebullición de los componentes del ligante. Además, la deformación es pequeña, la retención de la forma es buena y el control del tamaño es preciso.

Además, debido a la alta tasa de difusión, en comparación con otros métodos de desengrasado, la tasa de desengrasado es más alta, alcanzando 10 veces la tasa del descementado con solvente tradicional, al tiempo que permite un descementado de mayor tamaño [20].

Aunque el sistema aglutinante basado en polioximetileno tiene muchas de las ventajas mencionadas anteriormente, también tiene muchas desventajas.

El proceso de desunión catalítica a menudo utiliza vapor de ácido nítrico altamente corrosivo como catalizador. Por un lado, el poliformaldehído puede descomponerse durante la preparación de los materiales de inyección y las etapas de moldeo por inyección, produciendo formaldehído altamente tóxico. Además, los productos de descomposición deben eliminarse mediante una combustión en dos etapas. Por otro lado, la atmósfera ácida que juega un papel catalítico tiene una mayor corrosividad para los equipos, requiriendo mayor inversión.

1.2.4 Ligante base agua

Los disolventes de desunión (como el heptano y el hexano) o los productos de descomposición de los componentes del agente de unión (monómeros de compuestos aromáticos y formaldehído) utilizados en los diversos sistemas de agentes de unión antes mencionados son más o menos dañinos para el medio ambiente y los operadores. Por lo tanto, el desarrollo y la utilización de sistemas de agentes aglutinantes solventes respetuosos con el medio ambiente son de gran importancia.

El sistema aglutinante ecológico existente utiliza agua como disolvente de desunión.

De acuerdo con las diferentes funciones del agua en la preparación de materiales de inyección, este tipo de sistema aglutinante se puede dividir en gel y no gel.

El polímero común que se utiliza en los sistemas que no son de gel es el polietilenglicol, que tiene un buen rendimiento y es económico y fácil de obtener. El polietilenglicol de bajo peso molecular se puede eliminar rápidamente y casi por completo a 60 grados C, con un rango de peso molecular de uso común de alrededor de 500-2000. El aglutinante de esqueleto de uso común es el metacrilato de polimetilo con un peso molecular de 10000.

Sidambe et al. [21] utilizó un componente aglutinante soluble en agua de ácido esteárico de polimetilmetacrilato de polietilenglicol para estudiar a una tasa de carga de polvo del 69 por ciento.

En el experimento, el polietilenglicol se eliminó por completo en agua a 55 grados C después de 5 horas, y el metacrilato de polimetilo se eliminó por completo en un flujo de gas argón de desunión caliente a 440 grados C. El contenido final de oxígeno (fracción de masa) de la muestra preparada es del 0,2 por ciento, con una resistencia a la tracción correspondiente de 850-880 MPa y un alargamiento del 8,5 por ciento -16 por ciento, cumpliendo con el estándar ASTM grado 5 Ti.

La mayoría de los aglutinantes a base de gel son sustancias naturales, como celulosa, agar de almidón, etc.

Tokura et al. [22] utilizaron agar para reemplazar aglutinantes poliméricos en el moldeo por inyección de polvo de titanio y estudiaron la estabilidad térmica, la solubilidad y la viscosidad del material de inyección de este sistema aglutinante.

Suzuki [24] et al. preparó muestras del 97,3 por ciento con densidad relativa utilizando agar (peso molecular 82 500) aglutinante que contenía una fracción de masa del 4 por ciento. Las fracciones de masa de carbono y oxígeno de las muestras son 0.33 por ciento y 0.3 por ciento, respectivamente. El límite elástico es de 539 MPa y el alargamiento es de alrededor del 10 por ciento. Los resultados experimentales muestran que cuando se usa agar de alto peso molecular, la fuerza del gel aumenta, pero el contenido residual de carbono y oxígeno es alto, lo que resulta en una menor densidad de sinterización, resistencia a la tracción y elongación de las piezas sinterizadas.

El aglutinante a base de agua sin gel es fácil de controlar, el equipo de desengrasado es más económico que otros métodos de desengrasado y el aglutinante es biodegradable y no tóxico para los microorganismos, pero el tratamiento de aguas residuales para desengrasar requiere costos adicionales.

Es difícil controlar el tamaño de las piezas finales producidas por el compuesto de moldeo por inyección del sistema aglutinante a base de gel, y la composición no es lo suficientemente estable, por lo que las condiciones del proceso y el control de calidad son difíciles, y aún se necesita más investigación y optimización.

1.3 Moldeo por inyección, desunión y sinterización

Los parámetros del proceso de moldeo por inyección están determinados por el rendimiento del material de inyección y la forma geométrica del producto objetivo.

Como se mencionó anteriormente, el tamaño de partícula del polvo de titanio suele ser grueso, lo que es propenso a la separación del aglutinante de polvo en comparación con el moldeo por inyección de material de acero inoxidable. Antes del moldeo por inyección, se deben desarrollar los parámetros del proceso de formación apropiados en función de las propiedades reológicas del material de inyección para reducir los defectos en el tocho formado.

Wang et al. [25] prepararon materiales de moldeo por inyección usando aleación Ti-6Al-4V combinada con un sistema aglutinante a base de cera en polvo, y probaron y analizaron las propiedades reológicas de los materiales de inyección bajo diferentes cantidades de carga de polvo y temperaturas, proporcionando una base para desarrollar parámetros de formación apropiados para el proceso de moldeo por inyección.

Parque et al. prepararon materiales de inyección utilizando polvo de titanio en aerosol, polvo de titanio HDH y polvo de titanio HDH esferoidizado, y midieron sus propiedades reológicas y comportamiento de desunión. Propusieron un índice de formabilidad para el material de inyección y evaluaron su desempeño en base a esto. Los resultados del análisis proporcionaron una base teórica para el uso simultáneo de polvo HDH y polvo en aerosol en el sistema de material de inyección.

Barriere et al. [27] exploró los parámetros de proceso óptimos para producir piezas moldeadas por inyección de metal sin defectos y con las propiedades mecánicas requeridas basándose en procesos de simulación numérica y experimental. Sobre la base de técnicas de modelado, se utilizaron una ecuación de flujo de dos fases y un algoritmo explícito recientemente desarrollado para predecir los fenómenos de separación de materiales durante el proceso de inyección mediante simulación numérica.

Chen et al. [28] usó un polvo de prealeación de Ti-6Al-4V hidrogenado y deshidrogenado y un sistema aglutinante soluble en agua para preparar un material de inyección de comentarios, y luego midió la tasa de eliminación del componente aglutinante soluble en agua polietilenglicol en muestras de diferentes espesores a diferentes temperaturas. Se estableció un modelo matemático de desunión controlada por difusión para determinar el mecanismo de desunión del sistema aglutinante.

Sidambe [29] y otros utilizaron los métodos de Taguchi para determinar la combinación óptima de temperatura de sinterización, tiempo, velocidad de calentamiento, atmósfera y otros parámetros.

Ni et al. [30] preparó material de inyección de Ti - 6Al - 4V mediante el uso de estearato de palma y un sistema aglutinante de polietileno, y formuló el proceso de producción óptimo mediante el uso de métodos Taguchi. Finalmente, se obtuvo una muestra con un límite elástico de 934,4 MPa y un alargamiento del 10 por ciento, y su rendimiento general cumplió con los requisitos de la aleación de titanio médico ASTM B348-02.

Obasi et al. [31] prepararon especímenes de Ti-6Al-4V con propiedades que cumplían con los requisitos de la aleación de titanio ASTM B348-02 grado 23 y estudiaron los efectos de los cambios en los sistemas de parámetros básicos del proceso en la temperatura Procesos de desengrasado y sinterizado de componentes MIM en polvo de Ti-6Al-4V.

Limberg et al. [32] preparó Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C utilizando una mezcla de polvos elementales durante el proceso de moldeo por inyección y estudió los efectos del tiempo de sinterización y la atmósfera sobre las propiedades de tracción y la microestructura. Se obtuvo una muestra con una resistencia a la tracción de aproximadamente 630 MPa.

Guo et al. [8-9] preparó materiales de titanio puro y Ti-6Al-4V mediante tecnología de moldeo por inyección y estudió los efectos de los procesos de tratamiento térmico, como el prensado isostático en caliente y el recocido, en las propiedades del material de aleación El efecto del tratamiento térmico se caracterizó cualitativa y cuantitativamente a través de pruebas de microestructura y propiedades mecánicas, y su microestructura se muestra en la Figura 4.

Se prepara un material de inyección de comentarios mezclando polvo de titanio atomizado, polvo de titanio deshidrogenado hidrogenado y un sistema aglutinante a base de cera. Después del moldeo por inyección, el desprendimiento con solvente se lleva a cabo en una mezcla de heptano y etanol. El aglutinante se elimina por completo después de calentar a 350, 420 y 600 grados C a una determinada velocidad de calentamiento, y la temperatura de sinterización es de 1230 grados C durante 3 horas. Finalmente, las propiedades de tracción de la muestra sinterizada fueron 389-419 MPa, y el alargamiento fue 2-4 por ciento.

Los miembros de nuestro grupo de investigación [33] prepararon muestras de titanio puro usando un sistema de polvo de titanio en aerosol y aglutinante soluble en agua, y estudiaron los efectos de la temperatura de sinterización y el tiempo de retención en las propiedades de las muestras de titanio puro. El proceso de sinterización se llevó a cabo bajo un grado de vacío de 10-4-10-3 Pa, con una temperatura de sinterización de 1350 grados C y un alargamiento del 20,3 por ciento obtenido después de mantener durante 3 horas. Las muestras cumplen plenamente con el mejor rendimiento de metalurgia de polvos de ASTM F2989-13, con una densidad relativa del 96,9 % y una resistencia a la tracción de 443 MPa, estándar biomédico de titanio puro de grado II.

4 Microestructuras de muestras de Ti (a) y Ti-6Al-4V (b) preparadas con materias primas a base de cera

2 nuevos materiales de moldeo por inyección de titanio y aleaciones de titanio

Actualmente, el titanio y las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente en ortopedia, equipos dentales e implantes médicos. Sin embargo, debido a la diferencia en las propiedades mecánicas entre el titanio y el hueso humano (con un módulo elástico de aproximadamente 20 GPa), se generan efectos de protección contra el estrés en la interfaz hueso/implante, lo que puede comprometer en gran medida los resultados clínicos a largo plazo, como se muestra en Figura 5.

Por lo tanto, los investigadores han ajustado las propiedades mecánicas de los materiales de titanio cambiando su estructura y composición de aleación, acercándolos a la estructura y el rendimiento de los huesos naturales del cuerpo humano.

5 Comparación del módulo de elasticidad de aleaciones de titanio biomédicas

2.1 Materiales porosos de titanio y composites cerámicos de titanio

Los materiales de titanio poroso y los nuevos materiales del sistema de aleación de titanio tienen una estructura de poros y propiedades mecánicas apropiadas, lo que los convierte en materiales ideales para implantes ortopédicos de reemplazo.

Por un lado, puede reducir de forma efectiva la falta de coincidencia de la tensión entre el implante y el tejido óseo, reduciendo así el efecto de protección contra la tensión y logrando la función duradera y eficaz del implante; Por otro lado, la estructura porosa es una condición necesaria para que las células óseas crezcan en el cuerpo del implante, y la estructura porosa interconectada puede permitir el paso de una gran cantidad de líquido corporal, promoviendo aún más el crecimiento de las células óseas.

Gu et al. formó un nuevo tipo de aleación TC4 con una estructura de poros abiertos mediante la adición de TiH2 como agente espumante y activador al polvo de elementos de titanio, aluminio y vanadio, con una distribución uniforme del tamaño de los poros y un tamaño de poro que oscila entre 90 y 190 μ m. La porosidad es de alrededor del 43 por ciento ~ 59 por ciento, y el módulo de elasticidad oscila entre 5,8 y 9,5 GPa. Motor et al. [35] prepararon aleaciones de titanio multimicroporosas utilizando tecnología de moldeo por inyección de polvo (PIM) combinada con tecnología de agentes formadores de poros, y estudiaron el efecto de la cantidad de metacrilato de polimetilo del agente formador de poros sobre la densidad, la resistencia a la compresión y el módulo elástico de la aleación.

Tuncer et al. [36] utilizó un sistema de polvo esférico atomizado, polvo de titanio HDH y aglutinante a base de cera para estudiar el efecto del polvo inicial en el rendimiento del producto de titanio poroso final mediante la adición de una cierta cantidad de NaCl y KCl como agentes formadores de poros. Además, al ajustar la cantidad de agentes formadores de poros, se obtuvo un material de titanio poroso con la porosidad y el tamaño de poro necesarios para los implantes médicos, y la composición química del material podría cumplir con el estándar de titanio puro de tercer grado.

Chen et al. [37] utilizaron NaCl como agente formador de poros y material de inyección a base de cera en polvo de titanio deshidrogenado hidrogenado para preparar muestras moldeadas por inyección. Las muestras obtenidas tenían una porosidad de 42,4 por ciento ~ 71,6 por ciento y un tamaño de poro de 300 μ m. Como se muestra en la Figura 6. Al ajustar la cantidad de NaCl utilizada, se pueden formar poros interconectados dentro de la pieza de inyección y sus propiedades mecánicas son similares a las del hueso esponjoso.

Barbosa et al. [38] utilizaron por primera vez polvo de Fe22Cr para probar las propiedades reológicas de los materiales de inyección con diferentes sistemas aglutinantes. Sobre la base de los resultados de la prueba de rendimiento, se seleccionó un sistema aglutinante a base de cera adecuado. Luego, el polvo de Ti y el agente formador de poros NaCl se combinaron para el prensado en caliente y el moldeo por inyección de múltiples componentes. Después de desengrasar y sinterizar, se preparó un componente de implante de columna vertebral con un núcleo denso y un gradiente de porosidad externa.

6 Componente de moldeo por inyección de titanio poroso que utiliza NaCl como soporte de espacio

La hidroxiapatita (HA), con la misma composición química y estructura cristalina que el tejido óseo natural humano, tiene ventajas únicas en el reemplazo óseo y la reconstrucción ósea, y ha comenzado a desempeñar un papel cada vez más importante en los dispositivos biomédicos.

Sin embargo, debido a su alta fragilidad y malas propiedades mecánicas, el HA no puede usarse solo como un componente de carga, lo que da como resultado el surgimiento de un nuevo tipo de material biomédico compuesto por materiales de HA y titanio.

Thian et al. [39-42] estudió la preparación de materiales compuestos de Ti6Al4V/HA mediante el método de moldeo por inyección. En primer lugar, se preparó polvo compuesto de Ti6Al4V/HA utilizando el método de suspensión cerámica. Luego, el polvo preparado se mezcló con el aglutinante comercial PAN-250S para preparar un material de inyección de comentarios. Se probaron las propiedades reológicas del material de inyección y se estudiaron los efectos de la tasa de calentamiento y la tasa de flujo de gas de la atmósfera de desunión sobre los defectos de desunión, la cantidad de eliminación de aglutinante y el contenido de carbono residual durante el proceso de desunión; El efecto de los parámetros del proceso de sinterización (velocidad de calentamiento, temperatura de sinterización, tiempo de mantenimiento, velocidad de enfriamiento, etc.) sobre el rendimiento de la muestra final, lo que da como resultado una porosidad de aproximadamente el 50 % de la muestra; Además, se analizó y caracterizó el proceso de degradación biológica del material Ti6Al4V/HA preparado en el entorno de fluidos corporales a través de los resultados de las pruebas de propiedades mecánicas.

2.2 Nuevos materiales de aleación de titanio

El campo biomédico, como una rama importante de la aplicación de materiales de titanio, la dirección de la demanda de su aplicación afecta directamente la tendencia de desarrollo de los materiales de titanio.

Los primeros materiales de titanio usaban titanio puro (principalmente compuestos por fases, pero los materiales de titanio puro tienen menor resistencia y poca resistencia al desgaste, lo que lleva al desarrollo de materiales de alta resistencia y tenacidad representados por Ti6Al4V, Ti6Al7Nb y Ti5Al2.5Fe más aleación tipo A) .

Austin et al. [43] fabricó con éxito materiales para tornillos óseos con un rendimiento excelente utilizando polvo de Ti6Al7Nb y un sistema aglutinante a base de cera (parafina más PE más ácido esteárico), como se muestra en la Figura 7. El material tiene una densidad relativa del 97,6 % y una resistencia a la tracción de 815 MPa , resistencia a la fluencia de 714 MPa y alargamiento del 8,7 por ciento.

Los resultados de la investigación han demostrado que los elementos de aleación como el Al y el V en las aleaciones de titanio, aluminio y vanadio ampliamente utilizadas y las aleaciones de titanio, aluminio y niobio liberan iones citotóxicos de Al y V después de que los implantes ingresan al cuerpo humano, causando daño al cuerpo humano.

Como resultado, los investigadores realizaron una serie de experimentos de nueva generación que contienen elementos de bioseguridad como Nb, Ta, Zr, Mo, Sn, pero no elementos Al y V. Desarrollo de sistemas de aleación de titanio.

Las aleaciones biológicas de titanio actualmente desarrolladas e investigadas incluyen principalmente Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr y Ti{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Debido a diversas limitaciones, como la tecnología de fabricación de polvos, estos sistemas de aleación no se utilizan mucho en los procesos de moldeo por inyección de polvos.

Zhao et al. [45] utilizaron polvo de titanio y polvo de niobio para experimentos de moldeo por inyección para preparar con éxito aleaciones de fase dual TiNb con una densidad relativa de alrededor del 95 por ciento. Al probar las propiedades mecánicas de los lingotes verdes, las piezas desligadas y las piezas sinterizadas, además de observar y comparar la microestructura de las piezas sinterizadas con diferentes contenidos de composición de aleación, se estudió el efecto del contenido de Nb en la microestructura y las propiedades mecánicas de la aleación.

Arokiasamy et al. [46] prepararon una aleación de Ti-5Fe-5Zr añadiendo elementos Fe y Zr al polvo de titanio puro HDH y midieron las propiedades mecánicas de la aleación. Con base en los resultados de la prueba, se obtuvo el mecanismo de poros residuales y el efecto de TiC en las propiedades del material de aleación.

 

Fig. 7Tornillo óseo Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb preparado por MIM

3 perspectiva

La baja gravedad específica, la alta fuerza específica, la excelente biocompatibilidad, la resistencia a la oxidación y la buena resistencia a la corrosión del titanio y las aleaciones de titanio tienen un gran potencial de desarrollo en aplicaciones como la aeroespacial, médica, química, automotriz y de consumo diario.

En comparación con las técnicas de procesamiento tradicionales, como la forja, la fundición y el mecanizado, la tecnología de moldeo por inyección de polvo tiene ventajas obvias, como una composición de aleación uniforme, una alta tasa de utilización de materias primas y una gran capacidad de producción para grandes cantidades de piezas con formas complejas, lo que puede promover en gran medida la producción y aplicación de titanio y productos de aleación de titanio.

Aunque se han hecho algunos avances en la investigación del moldeo por inyección de titanio y aleaciones de titanio, aún es necesario resolver una serie de problemas en el proceso de producción industrial real, como el alto precio de las materias primas en polvo de alta calidad, conversión y aplicación insuficientes. de nuevos sistemas de aleación de titanio de alta calidad para moldeo por inyección y dificultad para controlar la composición química del producto.

Además, con el rápido desarrollo de la tecnología de microsistemas en los últimos años, la demanda de componentes microcomplejos aplicados en microsistemas sigue aumentando. El moldeo por inyección de polvo debe pasar de los tipos de productos tradicionales a los microproductos y convertirse en tecnología de moldeo por microinyección de polvo.

En la actualidad, la tecnología de micromoldeo por inyección se centra principalmente en sistemas de materiales como polímeros y acero inoxidable, y todavía hay muchos problemas que deben estudiarse en el micromoldeo por inyección de titanio y aleaciones de titanio.

Por lo tanto, el desarrollo de la investigación del moldeo por inyección de titanio y aleaciones de titanio debe centrarse en la investigación y el desarrollo de nuevos sistemas de aleación de titanio, el desarrollo de tecnología de preparación de polvo de aleación de titanio de bajo costo y alta calidad, y el estudio del micromoldeo por inyección de material de titanio. adecuado para dispositivos microcomplejos.

Con la profundización de la investigación sobre la tecnología de moldeo por inyección de titanio y aleaciones de titanio, se cree que la tecnología de moldeo por inyección de titanio y aleaciones de titanio logrará un progreso significativo, promoviendo así el rápido desarrollo de la industria del titanio.