Τεχνολογία χύτευσης με έγχυση μετάλλου τιτανίου και κράματος τιτανίου

Τεχνολογία χύτευσης με έγχυση μετάλλου τιτανίου και κράματος τιτανίου

 

Η Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. έχει επιτύχει μαζική παραγωγή μέσω συνεχούς έρευνας και ανάπτυξης, καινοτομίας, δοκιμών, διεργασιών χύτευσης με έγχυση μετάλλου τιτανίου και μετάλλου κράματος τιτανίου το 2008. Εάν υπάρχουν πελάτες που χρειάζονται, στείλτε ένα email: business- mall@zw-jm.com Δώστε το στην εταιρεία μας και επαγγελματίες μηχανικοί θα σας απαντήσουν εγκαίρως εντός της συντομότερης εργάσιμης ημέρας,

Περίληψη

Το τιτάνιο και τα κράματα τιτανίου έχουν χαμηλό ειδικό βάρος, υψηλή ειδική αντοχή, εξαιρετική βιοσυμβατότητα και καλή αντοχή στη διάβρωση και έχουν μεγάλες δυνατότητες εφαρμογής σε τομείς όπως η αεροδιαστημική, η βιοϊατρική, η χημική και η αυτοκινητοβιομηχανία.

Η τεχνολογία χύτευσης με έγχυση σε σκόνη μετάλλου τιτανίου και κράματος τιτανίου (MIM) μπορεί να επιτύχει μεγάλης κλίμακας και χαμηλού κόστους προετοιμασία μικρού και μεσαίου μεγέθους σύνθετου σχήματος προϊόντων τιτανίου, η οποία είναι μεγάλης σημασίας για την προώθηση της παραγωγής και εφαρμογής προϊόντων τιτανίου και κράματος τιτανίου .

Αυτό το άρθρο εισάγει τα χαρακτηριστικά και τα πλεονεκτήματα της χύτευσης με έγχυση μεταλλικής σκόνης τιτανίου και κραμάτων τιτανίου. Συνοψίζει την ερευνητική πρόοδο της τεχνολογίας χύτευσης με έγχυση σε σκόνη μετάλλων τιτανίου και κράματος τιτανίου από τις πτυχές των πρώτων υλών σε σκόνη, των συστημάτων συνδετικών, της χύτευσης με έγχυση σκόνης, της αποκόλλησης και της πυροσυσσωμάτωσης. Ως απάντηση στα κύρια προβλήματα που υπάρχουν σήμερα, αναλύει την κατεύθυνση της έρευνας και τις προοπτικές ανάπτυξης της χύτευσης με έγχυση μεταλλικής σκόνης τιτανίου και κραμάτων τιτανίου.

Τιτάνιο; Κράμα τιτανίου; Χύτευση με έγχυση; Αριθμός ταξινόμησης προόδου έρευνας TF125.2; TF125.2 συν 2

(Σημείωση του συντάκτη: Η αγγλική εισαγωγή παραλείφθηκε...)

Δεδομένου ότι η μέθοδος βιομηχανικής παραγωγής για τη λήψη μεταλλικού τιτανίου από μετάλλευμα κατακτήθηκε τη δεκαετία του 1840, το τιτάνιο και τα κράματα τιτανίου έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε βιομηχανικές και εμπορικές εγκαταστάσεις. Ωστόσο, σε σύγκριση με τον χάλυβα, η ετήσια παραγωγή του είναι ακόμα μικρή και λόγω του υψηλού κόστους των πρώτων υλών, το πεδίο εφαρμογής του περιορίζεται κυρίως στη ναυτιλιακή βιομηχανία, τη χημική βιομηχανία, τη βιομηχανία αεροδιαστημικής, τις ιατρικές συσκευές, τα εμφυτεύματα, τα είδη πολυτελείας και άλλες βιομηχανίες με υψηλές απαιτήσεις για απόδοση υλικού.

Επί του παρόντος, εκτός από τις υψηλές τιμές των πρώτων υλών, η δυσκολία επεξεργασίας και σχηματισμού τιτανίου και κραμάτων τιτανίου περιορίζει πολύ το πεδίο εφαρμογής τους.

Η μηχανική ικανότητα του τιτανίου και των κραμάτων τιτανίου είναι φτωχή και οι παραδοσιακές μέθοδοι κατεργασίας έχουν ακριβό εξοπλισμό και χαμηλή απόδοση επεξεργασίας, αυξάνοντας σημαντικά το κόστος επεξεργασίας τους. Η δομή των εξαρτημάτων τιτανίου που μπορούν να κατεργαστούν είναι πολύ απλή και λόγω των περιορισμών των μεθόδων επεξεργασίας, τα περισσότερα από αυτά δεν μπορούν να επιτύχουν σχεδιαστικές λύσεις που μπορούν να μεγιστοποιήσουν την απόδοση του υλικού.

Σε αυτό το πλαίσιο, η χύτευση με έγχυση μετάλλων (MIM), η οποία έχει τα πλεονεκτήματα της υψηλής χρήσης πρώτων υλών και του χαμηλού κόστους παραγωγής, έχει γίνει μια ιδανική διαδικασία επεξεργασίας τιτανίου και κράματος τιτανίου [1-4].

Η διαδικασία χύτευσης με έγχυση μεταλλικής σκόνης συνήθως περιλαμβάνει αρκετές βασικές διεργασίες όπως προετοιμασία υλικού έγχυσης, χύτευση με έγχυση, αποκόλληση, πυροσυσσωμάτωση και απαραίτητη μετα-επεξεργασία.

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, η σκόνη μετάλλου και τα συστατικά οργανικού συνδετικού αρχικά αναμιγνύονται, αναμιγνύονται και κοκκοποιούνται για να παρασκευαστεί ένα υλικό έγχυσης. Στη συνέχεια, το υλικό έγχυσης εγχέεται στο καλούπι σε μια ορισμένη θερμοκρασία και πίεση, ψύχεται και ξεκαλουπώνεται για να ληφθεί ένα πράσινο προϊόν με συγκεκριμένο σχήμα. Στη συνέχεια, μέσω της διαδικασίας αποκόλλησης, όλα τα οργανικά συστατικά εκτός από τη μεταλλική σκόνη αφαιρούνται από το πράσινο προϊόν, σχηματίζοντας ένα πράσινο προϊόν αποκόλλησης. Τέλος, πραγματοποιείται πυροσυσσωμάτωση για να επιτευχθεί η επιθυμητή απόδοση του προϊόντος.

Η τεχνολογία χύτευσης με έγχυση μεταλλικής σκόνης έχει επιτύχει έναν οργανικό συνδυασμό χύτευσης με έγχυση και παραδοσιακής τεχνολογίας μεταλλουργίας σκόνης, ξεπερνώντας τα μειονεκτήματα του υψηλού κόστους μηχανικής κατεργασίας, του απλού σχήματος της παραδοσιακής διαδικασίας χύτευσης, της χαμηλής απόδοσης παραγωγής της διαδικασίας ισοστατικής συμπίεσης και χύτευσης με έγχυση, πολλά ελαττώματα στην παραδοσιακή διαδικασία χύτευσης και ακρίβεια χαμηλής ανοχής. Έχει προωθήσει σε μεγάλο βαθμό την παραγωγή και την εφαρμογή προϊόντων τιτανίου και κραμάτων τιτανίου (όπως φαίνεται στο Σχήμα 2).

1 Διάγραμμα ροής τιτανίου και κραμάτων τιτανίου που κατασκευάζονται από την MIM

 

2 Εφαρμογές τιτανίου και κραμάτων τιτανίου που κατασκευάζονται από την MIM

 

Ερευνητική κατάσταση χύτευσης με έγχυση σε σκόνη μετάλλου τιτανίου και κράματος τιτανίου

Η έρευνα έχει δείξει ότι οι μηχανικές ιδιότητες, η αντοχή στη διάβρωση και οι βιοϊατρικές ιδιότητες των χυτευμένων προϊόντων με έγχυση τιτανίου και κράματος τιτανίου επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τέσσερις πτυχές: σχετική πυκνότητα, περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες, στοιχεία κράματος και μικροδομή.

Μετά την πυροσυσσωμάτωση του προϊόντος χύτευσης με έγχυση, η σχετική του πυκνότητα είναι περίπου 95 τοις εκατό και θα υπάρχει ένα ορισμένο ποσοστό υπολειπόμενων πόρων.

Αυτοί οι υπολειπόμενοι πόροι θα γίνουν η πηγή ρωγμών όταν σπάσει το δείγμα και θα έχουν μεγαλύτερο αντίκτυπο στην αντοχή σε εφελκυσμό, την ολκιμότητα, την αντοχή σε θραύση, την αντοχή σε κόπωση και άλλες μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Επομένως, όσο μεγαλύτερη είναι η σχετική πυκνότητα των χυτευμένων προϊόντων με έγχυση τιτανίου και κράματος τιτανίου, τόσο καλύτερες είναι οι μηχανικές τους ιδιότητες.

Στοιχεία ακαθαρσίας όπως οξυγόνο, άνθρακας, άζωτο, υδρογόνο κ.λπ., ιδιαίτερα το οξυγόνο, μπορούν να αυξήσουν την αντοχή διαρροής, την αντοχή εφελκυσμού και τη σκληρότητα των υλικών, μειώνοντας την ολκιμότητα. Στη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης, τα στοιχεία ακαθαρσίας διαλύονται στη μήτρα τιτανίου. Λόγω της έλλειψης αποτελεσματικών αναγωγικών παραγόντων, είναι δύσκολο να ελεγχθούν τα στοιχεία ακαθαρσίας στο τιτάνιο και τα κράματα τιτανίου κατά τη διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης. Αυτό απαιτεί ελαχιστοποίηση της ποσότητας οξυγόνου που προστίθεται στις πρώτες ύλες και κάθε επόμενο βήμα της διαδικασίας.

Η μικροδομή του τιτανίου και των κραμάτων τιτανίου, συμπεριλαμβανομένου του μεγέθους των κόκκων και της σύνθεσης φάσης μετά την πυροσυσσωμάτωση, μπορεί να επηρεάσει τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Συνολικά, τα χυτευμένα με έγχυση υλικά τιτανίου και κράματος τιτανίου με εξαιρετική απόδοση έχουν υψηλή πυκνότητα, χαμηλή περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες (συνήθως περιεκτικότητα σε οξυγόνο), κατάλληλη σύνθεση κράματος, λεπτόκοκκο μέγεθος κατά την πύκνωση και λιγότερα ελαττώματα [5].

1.1 Πρώτες ύλες σε σκόνη

Η επιλογή των πρώτων υλών σε σκόνη είναι ένα σημαντικό βήμα στη διαδικασία χύτευσης με έγχυση σκόνης τιτανίου. Η κατανομή μεγέθους σωματιδίων και η μορφολογία της σκόνης επηρεάζουν άμεσα τη ρευστότητα και τη δυνατότητα σχηματισμού της ένωσης χύτευσης με έγχυση, τη διατήρηση του σχήματος του πράσινου σώματος κατά τη διαδικασία αποκόλλησης και τον ρυθμό συρρίκνωσης κατά τη διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης.

Οι συνήθως χρησιμοποιούμενες μέθοδοι για την παρασκευή σκονών τιτανίου και κράματος τιτανίου περιλαμβάνουν τη μηχανική μέθοδο και τη μέθοδο ψεκασμού.

Το σχήμα της σκόνης που λαμβάνεται με μηχανικές μεθόδους, όπως η άλεση με σφαίρες, η ανάδευση με σφαίρα, η άλεση με σφαίρα δόνησης υψηλής ενέργειας και η κονιοποίηση ροής αέρα είναι γενικά ακανόνιστο ή γωνιακό.

Η διαδικασία αφυδρογόνωσης υδρογόνωσης (HDH) χρησιμοποιεί τα προφανή χαρακτηριστικά ευθραυστότητας του τιτανίου μετά την απορρόφηση του υδρογόνου. Συνθλίβεται με μηχανική λείανση ή σύνθλιψη ροής αέρα και στη συνέχεια υποβάλλεται σε αφυδρογόνωση για να ληφθεί σκόνη τιτανίου ακανόνιστου σχήματος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3 (α). Η μέθοδος ψεκασμού (όπως ψεκασμός αδρανούς αερίου, ψεκασμός περιστρεφόμενου ηλεκτροδίου δέσμης πλάσματος και ψεκασμός αερίου τήξης με επαγωγή ηλεκτροδίου) μπορεί να πραγματοποιηθεί σε εντελώς αδρανή ατμόσφαιρα, έτσι ώστε να διατηρείται η υψηλή καθαρότητα της ακατέργαστης σκόνης. Η παρασκευασμένη σκόνη έχει σφαιρικό σχήμα και έχει αρκετά ευρεία κατανομή μεγέθους σωματιδίων, με καλή απόδοση στοίβαξης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3 (β).

Επιπλέον, σε αντίθεση με την τεχνολογία παραγωγής σκόνης χάλυβα, η παραγωγή λεπτότερης σκόνης τιτανίου είναι πιο δύσκολη. Καθώς το μέγεθος των σωματιδίων μειώνεται, η ειδική επιφάνεια αυξάνεται και η περιεκτικότητα σε στοιχεία ακαθαρσίας αυξάνεται επίσης.

Συνήθως, το MIM χρησιμοποιεί σκόνη τιτανίου με μέγεθος σωματιδίων μικρότερο από 45 μ m. Όταν τα σωματίδια σκόνης είναι πολύ μεγάλα, η διαδικασία έγχυσης είναι επιρρεπής στον διαχωρισμό του συνδετικού υλικού σκόνης και στον σχηματισμό ελαττωμάτων. Είναι απαραίτητο να εξεταστεί πλήρως ο σχεδιασμός της σύνθεσης του υλικού έγχυσης και ο σχεδιασμός του καλουπιού [5].

Εικ. 3 HDH (α) και ψεκασμένη με αέριο (β) σκόνη τιτανίου που χρησιμοποιείται στο MIM

1.2 Κόλλα

Το συνδετικό είναι ένας φορέας που υπάρχει σταδιακά σε όλη τη διαδικασία χύτευσης με έγχυση και η κύρια λειτουργία του είναι να γεμίζει ομοιόμορφα το καλούπι με σκόνη σε ρευστή κατάσταση, διαμορφώνοντας το επιθυμητό σχήμα και διατηρώντας το μέχρι το στάδιο προ πυροσυσσωμάτωσης.

Στη διαδικασία χύτευσης με έγχυση, το συνδετικό υλικό πρέπει να έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: χαμηλό σημείο τήξης, καλή διαβρεξιμότητα στα σωματίδια σκόνης και γρήγορη στερεοποίηση, που είναι βολικό για την παρασκευή υλικών έγχυσης. Έχει καλή ρευστότητα στη θερμοκρασία έγχυσης. Μετά τη διαμόρφωση, μπορεί να αφαιρεθεί εύκολα από το billet, με λιγότερο υπολειμματικό υλικό και μη τοξικά και μη διαβρωτικά προϊόντα αποσύνθεσης.

Σε γενικές γραμμές, τα συνδετικά στοιχεία περιλαμβάνουν τουλάχιστον το κύριο συστατικό και τα δευτερεύοντα συστατικά:

Το κύριο συστατικό χρησιμοποιείται για τη διαβροχή σωματιδίων μεταλλικής σκόνης και παρέχει την απαραίτητη ρευστότητα, ενώ το δευτερεύον συστατικό διασφαλίζει ότι το πράσινο σώμα έγχυσης εξακολουθεί να έχει επαρκή αντοχή κατά τη διαδικασία έγχυσης και μετά την αφαίρεση του κύριου συστατικού του συνδετικού.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, το συνδετικό σύστημα έχει ένα τρίτο συστατικό, όπως επιφανειοδραστικά, για τη βελτίωση της συμβατότητας μεταξύ μεταλλικών σκονών και πολυμερών.

Σύμφωνα με τα διαφορετικά κύρια συστατικά των συνδετικών συστατικών, τα συστήματα συνδετικού που χρησιμοποιούνται συνήθως μπορούν να χωριστούν σε συστήματα με βάση το κερί, συστήματα με βάση αρωματικές ενώσεις, συστήματα πολυοξυμεθυλενίου και συστήματα με βάση το νερό.

1.2.1 Συνδετικό με βάση το κερί

Οι κοινώς χρησιμοποιούμενοι κηροί για συνδετικά συστήματος με βάση το κερί περιλαμβάνουν πολλά πολυμερή μικρής αλυσίδας όπως παραφίνη, κερί μέλισσας, κερί φοίνικα κ.λπ. Έχουν χαμηλό σημείο τήξης, καλή διαβρεξιμότητα, μικρές μοριακές αλυσίδες, χαμηλό ιξώδες και μικρότερες αλλαγές όγκου κατά την αποσύνθεση σε σύγκριση με άλλα πολυμερών, το οποίο συμβάλλει στη διασφάλιση της ακρίβειας των διαστάσεων του προϊόντος.

Τα συνήθως χρησιμοποιούμενα δευτερεύοντα συστατικά συστημάτων με βάση το κερί περιλαμβάνουν πολυπροπυλένιο, πολυαιθυλένιο, συμπολυμερές αιθυλενίου οξικού βινυλεστέρα και υψηλού μοριακού βάρους μεθακρυλικό πολυμεθυλεστέρα. Εκτός από τα συνδετικά με κερί και σκελετό, συνήθως προστίθεται ένα επιφανειοδραστικό όπως το στεατικό οξύ για τη βελτίωση της συμβατότητας μεταξύ σκόνης και πολυμερούς.

Το παλαιότερο αναφερόμενο σύστημα συνδετικού με βάση το κερί στη βιβλιογραφία ήταν οι Kaneko et al. [6], η οποία χρησιμοποίησε παραφίνη πολυβουτυλ μεθακρυλικό συμπολυμερές αιθυλενο οξικού βινυλεστέρα φθαλικό διβουτυλεστέρα ως συνδετικό και σκόνη τιτανίου για την παρασκευή ενός υλικού έγχυσης παρατήρησης. Το φορτίο σκόνης ήταν 56 τοις εκατό, και μετά την αποκόλληση, συντήχθηκε στους 1300 βαθμούς C και 1,3 Pa. Το ληφθέν συντηγμένο δείγμα είχε σχετική πυκνότητα 94 τοις εκατό και αντοχή σε θλίψη 1000 MPa, αλλά λόγω της υψηλής περιεκτικότητας σε ακαθαρσίες, δεν είχε σχεδόν καθόλου ολκιμότητα.

Οι Kato et al. [7] μελέτησε μια διαδικασία αποδέσμευσης δύο σταδίων που συνδυάζει την αποδέσμευση κενού και την αποκόλληση ατμόσφαιρας αργού, η οποία μείωσε σημαντικά την περιεκτικότητα σε άνθρακα και οξυγόνο στα συντηγμένα μέρη.

Οι Guo et al. Ο [8-9] χρησιμοποίησε πολυαιθυλενογλυκόλη με καλύτερη διαβρεξιμότητα για να αντικαταστήσει λίγη παραφίνη και ανέπτυξε ένα συνδετικό σύστημα παραφίνης πολυαιθυλενίου πολυαιθυλενίου πολυπροπυλενίου στεατικού οξέος, το οποίο χρησιμοποιήθηκε στη χύτευση με έγχυση καθαρού τιτανίου και κραμάτων τιτανίου αλουμινίου βαναδίου. Τα συντηγμένα μέρη είχαν καλή διατήρηση σχήματος και κυματική κίνηση μικρής ίντσας. Λόγω της μείωσης της περιεκτικότητας σε οξυγόνο και άνθρακα, η απόδοση βελτιώθηκε σημαντικά, με αποτέλεσμα καλή απόδοση.

Επιπλέον, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το κερί φοινικιού ως μερικό υποκατάστατο του κεριού παραφίνης [10-13] και το φοινικέλαιο ως πλήρες υποκατάστατο του κεριού παραφίνης [14] για ένα συνδετικό σύστημα με βάση το κερί, το οποίο έχει καλά αποτελέσματα σχηματισμού. Ωστόσο, λόγω του στοιχείου οξυγόνου που περιέχεται στο ίδιο το κερί φοίνικα, είναι επίσης πηγή ενίσχυσης οξυγόνου,

Προς το παρόν, το βέλτιστο σύστημα συνδετικού με βάση το κερί που αναφέρεται στη βιβλιογραφία προτάθηκε από τους Friederici et al. [15]. Κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας, σχηματίστηκαν τέσσερις αναλογίες συνδετικού με προσαρμογή των αναλογιών παραφίνης, πολυαιθυλενίου χαμηλής πυκνότητας και στεατικού οξέος, και διαφορετικά υλικά έγχυσης σχηματίστηκαν, αποκολλήθηκαν και πυροσυσσωματώθηκαν με βάση αυτές τις αναλογίες. Λήφθηκε δείγμα με σχετική πυκνότητα 98,1 τοις εκατό και χημική σύνθεση που ικανοποιεί τις απαιτήσεις του δευτερογενούς καθαρού τιτανίου.

Τα συστήματα συνδετικών με βάση το κερί διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη χύτευση με έγχυση, αλλά λόγω της χαμηλής απόδοσης της αποκόλλησης διαλύτη με χρήση οργανικών διαλυτών, οι ερευνητές καινοτομούν και αναπτύσσουν συνεχώς νέα συστήματα συνδετικού υλικού.

1.2.2 Συνδετικά με βάση αρωματικές ενώσεις

Οι αρωματικές ενώσεις (όπως το ναφθαλίνιο, το ανθρακένιο κ.λπ.) μπορούν να διαλυθούν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και υπό συνθήκες χαμηλής πίεσης, μπορούν να μετατραπούν απευθείας από στερεά σε αέρια μέσω εξάχνωσης σε θερμοκρασίες κάτω από το σημείο τήξης τους. Η χρήση αρωματικών ενώσεων ως συνδετικών συστατικών μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας αποκόλλησης.

Weil et al. [16-18] χρησιμοποίησε αρωματικές ενώσεις στη χύτευση με έγχυση σε σκόνη μετάλλου τιτανίου. Στην έρευνά της, παρασκευάστηκαν πυκνά κράματα τιτανίου αλουμινίου βαναδίου και πορώδη κράματα τιτανίου αλουμινίου βαναδίου χρησιμοποιώντας ναφθαλίνη, 1 τοις εκατό κλάσμα μάζας στεατικού οξέος και 3 τοις εκατό έως 12 τοις εκατό κλάσμα μάζας συμπολυμερούς αιθυλενίου οξικού αιθυλενίου ως συνδετικά.

Κατά τη διάρκεια του πειράματος, λόγω της άμεσης εξάχνωσης της ναφθαλίνης σε αέριο, δεν εμφανίστηκε υγρή φάση κατά τη διαδικασία αποκόλλησης και ο όγκος του δείγματος δεν άλλαξε. Σε αντίθεση με την απολίπανση με διαλύτες, η επιφανειακή ενέργεια που εμπλέκεται στη μέθοδο εξάχνωσης είναι σχετικά χαμηλή, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να αποφευχθούν κοινά ελαττώματα απολίπανσης, όπως παραμόρφωση και ρωγμές. Στο τέλος, η σχετική πυκνότητα του συντηγμένου δείγματος ήταν 96,6 τοις εκατό και η περιεκτικότητα σε άνθρακα δεν αυξήθηκε.

Αν και το σύστημα κόλλας έχει επιτύχει εξαιρετική απόδοση προϊόντος, οι αρωματικές ενώσεις στο σύστημα εξακολουθούν να έχουν αντίκτυπο στο περιβάλλον και τη φυσική υγεία και δεν έχουν μελετηθεί περαιτέρω ή εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα.

1.2.3 Συνδετικό με βάση το πολυοξυμεθυλένιο

Η πολυφορμαλδεΰδη χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στο σύστημα συνδετικών από την Celanese Corp το 1984 και αργότερα αναπτύχθηκε από την BASF, καθιστώντας δυνατό τα συστατικά του συνδετικού να μην περιέχουν κερί ή συστατικά μικρού μοριακού βάρους [19].

Η πολυφορμαλδεΰδη είναι το κύριο συστατικό αυτού του συστήματος συνδετικού υλικού και το πολυαιθυλένιο (PE) προστίθεται σταδιακά ως συνδετικό σκελετού κατά τη διάρκεια της μεταγενέστερης διαδικασίας ανάπτυξης.

Προς το παρόν, η BASF έχει σχηματίσει υλικά χύτευσης με έγχυση με βάση αυτό το συνδετικό σύστημα, καλύπτοντας πολλά υλικά όπως χάλυβας χαμηλής κραματοποίησης, ανοξείδωτο χάλυβα, χάλυβα εργαλείων, τιτάνιο και κράματα τιτανίου και κεραμικά.

Το σημαντικό χαρακτηριστικό της πολυφορμαλδεΰδης είναι η ευαισθησία της σε όξινα αντιδραστήρια και η ευαισθησία της στην όξινη αποσύνθεση. Ως εκ τούτου, το πράσινο σώμα μπορεί να αντιμετωπιστεί σε μια όξινη ατμόσφαιρα κάτω από τη θερμοκρασία μαλακώματος του. Η διαδικασία του πολυοξυμεθυλενίου είναι σε στερεή κατάσταση, αποφεύγοντας ελαττώματα όπως ρωγμές και διαστολές που προκαλούνται από το βρασμό των συνδετικών συστατικών. Επιπλέον, η παραμόρφωση είναι μικρή, η διατήρηση του σχήματος είναι καλή και ο έλεγχος μεγέθους είναι ακριβής.

Επιπλέον, λόγω του υψηλού ρυθμού διάχυσης, σε σύγκριση με άλλες μεθόδους απολίπανσης, ο ρυθμός απολίπανσης είναι υψηλότερος, φτάνοντας το 10 φορές το ρυθμό της παραδοσιακής αποδέσμευσης διαλύτη, ενώ επιτρέπει την αποκόλληση παχύτερου μεγέθους [20].

Αν και το συνδετικό σύστημα με βάση το πολυοξυμεθυλένιο έχει πολλά πλεονεκτήματα που αναφέρθηκαν παραπάνω, έχει επίσης πολλά μειονεκτήματα.

Η διαδικασία καταλυτικής αποδέσμευσης συχνά χρησιμοποιεί εξαιρετικά διαβρωτικό ατμό νιτρικού οξέος ως καταλύτη. Από τη μία πλευρά, η πολυφορμαλδεΰδη μπορεί να αποσυντεθεί κατά την προετοιμασία των υλικών έγχυσης και τα στάδια χύτευσης με έγχυση, παράγοντας εξαιρετικά τοξική φορμαλδεΰδη. Επιπλέον, τα προϊόντα αποσύνθεσης πρέπει να αφαιρεθούν μέσω καύσης δύο σταδίων. Από την άλλη πλευρά, η όξινη ατμόσφαιρα που παίζει καταλυτικό ρόλο έχει μεγαλύτερη διαβρωτική ικανότητα στον εξοπλισμό, απαιτώντας μεγαλύτερη επένδυση.

1.2.4 Συνδετικό με βάση το νερό

Οι διαλύτες αποκόλλησης (όπως το επτάνιο και το εξάνιο) ή τα προϊόντα αποσύνθεσης των συστατικών του συνδετικού παράγοντα (μονομερή αρωματικών ενώσεων και φορμαλδεΰδη) που χρησιμοποιούνται στα προαναφερθέντα διάφορα συστήματα συνδετικών μέσων είναι περισσότερο ή λιγότερο επιβλαβή για το περιβάλλον και τους χειριστές. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη και η χρήση φιλικών προς το περιβάλλον συστημάτων συνδετικών μέσων διαλυτών είναι μεγάλης σημασίας.

Το υπάρχον φιλικό προς το περιβάλλον σύστημα συνδετικού υλικού χρησιμοποιεί νερό ως διαλύτη αποκόλλησης.

Σύμφωνα με τους διαφορετικούς ρόλους του νερού στην προετοιμασία των υλικών έγχυσης, αυτό το είδος συνδετικού συστήματος μπορεί να χωριστεί σε με βάση το τζελ και σε μη βάση γέλης.

Το κοινό πολυμερές που χρησιμοποιείται σε συστήματα που δεν βασίζονται σε γέλη είναι η πολυαιθυλενογλυκόλη, η οποία έχει καλή απόδοση και είναι φθηνή και εύκολη στην απόκτηση. Η χαμηλού μοριακού βάρους πολυαιθυλενογλυκόλη μπορεί να αφαιρεθεί γρήγορα και σχεδόν πλήρως στους 60 βαθμούς C, με ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο εύρος μοριακού βάρους περίπου 500-2000. Το κοινώς χρησιμοποιούμενο συνδετικό σκελετού είναι μεθακρυλικός πολυμεθυλεστέρας με μοριακό βάρος 10000.

Οι Sidambe et al. [21] χρησιμοποίησε ένα υδατοδιαλυτό συνδετικό συστατικό πολυμεθυλμεθακρυλικού στεατικού οξέος πολυαιθυλενογλυκόλης για μελέτη με ρυθμό φόρτωσης σκόνης 69 τοις εκατό.

Στο πείραμα, η πολυαιθυλενογλυκόλη αφαιρέθηκε πλήρως σε νερό στους 55 βαθμούς C μετά από 5 ώρες και ο μεθακρυλικός πολυμεθυλεστέρας αφαιρέθηκε πλήρως σε ροή αερίου αργού με θερμή αποδέσμευση στους 440 βαθμούς C. Η τελική περιεκτικότητα σε οξυγόνο (κλάσμα μάζας) του προετοιμασμένου δείγματος είναι 0,2 τοις εκατό, με αντίστοιχη αντοχή σε εφελκυσμό 850-880 MPa και επιμήκυνση 8,5 τοις εκατό -16 τοις εκατό, που πληροί το πρότυπο ASTM βαθμού 5 Ti.

Τα περισσότερα συνδετικά με βάση το gel είναι φυσικές ουσίες, όπως η κυτταρίνη, το άμυλο άγαρ κ.λπ.

Tokura et al. [22] χρησιμοποίησε άγαρ για να αντικαταστήσει πολυμερή συνδετικά σε χύτευση με έγχυση σκόνης τιτανίου και μελέτησε τη θερμική σταθερότητα, τη διαλυτότητα και το ιξώδες του υλικού έγχυσης αυτού του συστήματος συνδετικού υλικού.

Suzuki [24] et al. παρασκεύασε δείγματα 97,3 τοις εκατό με σχετική πυκνότητα χρησιμοποιώντας συνδετικό άγαρ (μοριακού βάρους 82 500) που περιέχει κλάσμα μάζας 4 τοις εκατό. Τα κλάσματα μάζας άνθρακα και οξυγόνου των δειγμάτων είναι 0,33 τοις εκατό και 0,3 τοις εκατό, αντίστοιχα. Η αντοχή διαρροής είναι 539 MPa και η επιμήκυνση είναι περίπου 10 τοις εκατό. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι όταν χρησιμοποιείται άγαρ υψηλού μοριακού βάρους, η αντοχή της γέλης αυξάνεται, αλλά η περιεκτικότητα σε υπολειμματικό άνθρακα και οξυγόνο είναι υψηλή, με αποτέλεσμα χαμηλότερη πυκνότητα πυροσυσσωμάτωσης, αντοχή εφελκυσμού και επιμήκυνση των συντηγμένων τεμαχίων.

Το συνδετικό με βάση το νερό χωρίς γέλη είναι εύκολο να ελεγχθεί, ο εξοπλισμός απολίπανσης είναι φθηνότερος από άλλες μεθόδους απολίπανσης και το συνδετικό είναι βιοδιασπώμενο και μη τοξικό για τους μικροοργανισμούς, αλλά η επεξεργασία των λυμάτων για απολίπανση απαιτεί πρόσθετο κόστος.

Είναι δύσκολο να ελεγχθεί το μέγεθος των τελικών μερών που παράγονται από την ένωση χύτευσης έγχυσης του συστήματος συνδετικού με βάση το gel και η σύνθεση δεν είναι αρκετά σταθερή, επομένως οι συνθήκες της διαδικασίας και ο ποιοτικός έλεγχος είναι δύσκολοι και απαιτείται περαιτέρω έρευνα και βελτιστοποίηση.

1.3 Χύτευση με έγχυση, αποκόλληση και πυροσυσσωμάτωση

Οι παράμετροι της διαδικασίας χύτευσης με έγχυση καθορίζονται από την απόδοση του υλικού έγχυσης και το γεωμετρικό σχήμα του προϊόντος-στόχου.

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το μέγεθος των σωματιδίων της σκόνης τιτανίου είναι συνήθως χονδροειδές, το οποίο είναι επιρρεπές σε διαχωρισμό συνδετικού υλικού σε σκόνη σε σύγκριση με τη χύτευση με έγχυση υλικού από ανοξείδωτο χάλυβα. Πριν από τη χύτευση με έγχυση, θα πρέπει να αναπτυχθούν οι κατάλληλες παράμετροι της διαδικασίας διαμόρφωσης με βάση τις ρεολογικές ιδιότητες του υλικού έγχυσης για τη μείωση των ελαττωμάτων στο σχηματισμένο μπιγιέτα.

Οι Wang et al. [25] παρασκεύασε υλικά χύτευσης με έγχυση χρησιμοποιώντας κράμα Ti-6Al-4V σε συνδυασμό με σύστημα συνδετικού υλικού με βάση το κερί σκόνης και δοκίμασε και ανέλυσε τις ρεολογικές ιδιότητες των υλικών έγχυσης υπό διαφορετικές ποσότητες φόρτωσης σκόνης και θερμοκρασίες, παρέχοντας μια βάση για την ανάπτυξη κατάλληλων παραμέτρων διαμόρφωσης για τη διαδικασία χύτευσης με έγχυση.

Park et al. παρασκεύασε υλικά έγχυσης χρησιμοποιώντας σκόνη τιτανίου αερολύματος, σκόνη τιτανίου HDH και σκόνη τιτανίου με σφαιροειδές HDH και μέτρησε τις ρεολογικές τους ιδιότητες και τη συμπεριφορά αποκόλλησης. Πρότειναν έναν δείκτη μορφοποίησης για το υλικό έγχυσης και αξιολόγησαν την απόδοσή του βάσει αυτού. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης παρείχαν μια θεωρητική βάση για την ταυτόχρονη χρήση σκόνης HDH και σκόνης αερολύματος στο σύστημα υλικού έγχυσης.

Οι Barriere et al. [27] διερεύνησε τις βέλτιστες παραμέτρους διεργασίας για την παραγωγή μεταλλικών εξαρτημάτων χυτευμένων με έγχυση χωρίς ελαττώματα και με τις απαιτούμενες μηχανικές ιδιότητες με βάση πειραματικές και αριθμητικές διαδικασίες προσομοίωσης. Με βάση τις τεχνικές μοντελοποίησης, μια εξίσωση ροής δύο φάσεων και ένας πρόσφατα αναπτυγμένος ρητός αλγόριθμος χρησιμοποιήθηκαν για την πρόβλεψη φαινομένων διαχωρισμού υλικών κατά τη διαδικασία έγχυσης χρησιμοποιώντας αριθμητική προσομοίωση.

Οι Chen et al. [28] χρησιμοποίησε ένα υδρογονωμένο αφυδρογονωμένο Ti-6Al-4V προ κράματος σκόνης και υδατοδιαλυτό συνδετικό σύστημα για την παρασκευή ενός υλικού έγχυσης παρατήρησης και στη συνέχεια μέτρησε τον ρυθμό απομάκρυνσης του υδατοδιαλυτού συνδετικού συστατικού πολυαιθυλενογλυκόλης σε δείγματα διαφορετικού πάχους σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Ένα μαθηματικό μοντέλο αποδέσμευσης ελεγχόμενης διάχυσης καθιερώθηκε για τον προσδιορισμό του μηχανισμού αποσύνδεσης του συστήματος συνδετικού.

Ο Sidambe [29] και άλλοι χρησιμοποίησαν τις μεθόδους Taguchi για να καθορίσουν τον βέλτιστο συνδυασμό θερμοκρασίας πυροσυσσωμάτωσης, χρόνου, ρυθμού θέρμανσης, ατμόσφαιρας και άλλων παραμέτρων.

Ούτε et al. [30] παρασκεύασε υλικό έγχυσης Ti – 6Al – 4V χρησιμοποιώντας στεατικό φοίνικα και σύστημα συνδετικού πολυαιθυλενίου και διαμόρφωσε τη βέλτιστη διαδικασία παραγωγής χρησιμοποιώντας τις μεθόδους Taguchi. Τέλος, λήφθηκε ένα δείγμα με αντοχή διαρροής 934,4 MPa και επιμήκυνση 10 τοις εκατό και η συνολική του απόδοση πληρούσε τις απαιτήσεις του ιατρικού κράματος τιτανίου ASTM B348-02.

Obasi et al. [31] ετοίμασε δείγματα Ti-6Al-4V με ιδιότητες που ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις του ASTM B348-02 κράματος τιτανίου βαθμού 23 και μελέτησε τις επιπτώσεις των αλλαγών στα συστήματα βασικών παραμέτρων διεργασίας στη θερμική διεργασίες απολίπανσης και πυροσυσσωμάτωσης συστατικών σκόνης Ti{-6Al-4V MIM.

Οι Limberg et al. [32] παρασκεύασε το Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C χρησιμοποιώντας ένα μείγμα στοιχειακών σκονών κατά τη διαδικασία χύτευσης με έγχυση και μελέτησε τα αποτελέσματα του χρόνου πυροσυσσωμάτωσης και ατμόσφαιρα σε εφελκυστικές ιδιότητες και μικροδομή. Ελήφθη ένα δείγμα με αντοχή εφελκυσμού περίπου 630 MPa.

Οι Guo et al. [8-9] παρασκεύασε υλικά καθαρού τιτανίου και Ti-6Al{-4V χρησιμοποιώντας τεχνολογία χύτευσης με έγχυση και μελέτησε τις επιπτώσεις των διαδικασιών θερμικής επεξεργασίας όπως η θερμή ισοστατική συμπίεση και η ανόπτηση στις ιδιότητες του υλικό κραμάτων. Το αποτέλεσμα θερμικής επεξεργασίας χαρακτηρίστηκε ποιοτικά και ποσοτικά μέσω δοκιμών μικροδομής και μηχανικών ιδιοτήτων και η μικροδομή του φαίνεται στο Σχήμα 4.

Ένα υλικό έγχυσης παρατήρησης παρασκευάζεται με ανάμειξη ψεκασμένης σκόνης τιτανίου, υδρογονωμένης αφυδρογονωμένης σκόνης τιτανίου και συστήματος συνδετικού με βάση το κερί. Μετά τη χύτευση με έγχυση, η αποδέσμευση διαλύτη πραγματοποιείται σε ένα μίγμα επτανίου και αιθανόλης. Το συνδετικό αφαιρείται πλήρως μετά από θέρμανση στους 350, 420 και 600 βαθμούς C με συγκεκριμένο ρυθμό θέρμανσης και η θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης είναι 1230 βαθμούς C για 3 ώρες. Τέλος, οι ιδιότητες εφελκυσμού του συντηγμένου δείγματος ήταν 389-419 MPa και η επιμήκυνση ήταν 2-4 τοις εκατό .

Τα μέλη της ερευνητικής μας ομάδας [33] παρασκεύασαν δείγματα καθαρού τιτανίου χρησιμοποιώντας ένα σύστημα αερολύματος σκόνης τιτανίου και υδατοδιαλυτού συνδετικού υλικού και μελέτησαν τις επιπτώσεις της θερμοκρασίας πυροσυσσωμάτωσης και του χρόνου διατήρησης στις ιδιότητες των δειγμάτων καθαρού τιτανίου. Η διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης διεξήχθη υπό κενό βαθμό 10-4-10-3 Pa, με θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης 1350 βαθμών C και επιμήκυνση 20,3 τοις εκατό που ελήφθη μετά από διατήρηση για 3 ώρες. Τα δείγματα συμμορφώνονται πλήρως με την καλύτερη απόδοση μεταλλουργίας σκόνης του ASTM F2989-13, με σχετική πυκνότητα 96,9 τοις εκατό και αντοχή σε εφελκυσμό 443 MPa, Βιοϊατρικό Πρότυπο Καθαρού Τιτανίου Βαθμού ΙΙ.

4 μικροδομές δειγμάτων Ti (a) και Ti-6Al-4V (b) που παρασκευάζονται από πρώτες ύλες με βάση το κερί

2 Νέα υλικά χύτευσης με έγχυση τιτανίου και κράματος τιτανίου

Το τιτάνιο και τα κράματα τιτανίου χρησιμοποιούνται σήμερα ευρέως στην ορθοπεδική, τον οδοντιατρικό εξοπλισμό και τα ιατρικά εμφυτεύματα. Ωστόσο, λόγω της διαφοράς στις μηχανικές ιδιότητες μεταξύ τιτανίου και ανθρώπινου οστού (με συντελεστή ελαστικότητας περίπου 20 GPa), δημιουργούνται επιδράσεις θωράκισης του στρες στη διεπιφάνεια οστού/εμφυτεύματος, που μπορεί να θέσει σε κίνδυνο τα μακροπρόθεσμα κλινικά αποτελέσματα, όπως φαίνεται στο Εικόνα 5.

Ως εκ τούτου, οι ερευνητές έχουν προσαρμόσει τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών τιτανίου αλλάζοντας τη δομή και τη σύνθεση του κράματός τους, κάνοντάς τα πιο κοντά στη δομή και την απόδοση των φυσικών οστών στο ανθρώπινο σώμα.

5 Σύγκριση συντελεστή ελαστικότητας βιοϊατρικών κραμάτων τιτανίου

2.1 Πορώδη υλικά τιτανίου και σύνθετα κεραμικά υλικά τιτανίου

Τα πορώδη υλικά τιτανίου και τα νέα υλικά συστήματος από κράμα τιτανίου έχουν κατάλληλη δομή πόρων και μηχανικές ιδιότητες, καθιστώντας τα ιδανικά υλικά για ορθοπεδικά εμφυτεύματα αντικατάστασης.

Από τη μία πλευρά, μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την αναντιστοιχία πίεσης μεταξύ του εμφυτεύματος και του οστικού ιστού, μειώνοντας έτσι το αποτέλεσμα θωράκισης του στρες και επιτυγχάνοντας τη μακροχρόνια και αποτελεσματική λειτουργία του εμφυτεύματος. Από την άλλη πλευρά, η πορώδης δομή είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τα οστικά κύτταρα να αναπτυχθούν στο σώμα του εμφυτεύματος και η διασυνδεδεμένη πορώδης δομή μπορεί να επιτρέψει τη διέλευση μεγάλης ποσότητας σωματικού υγρού, προάγοντας περαιτέρω την ανάπτυξη των οστικών κυττάρων.

Οι Gu et al. σχημάτισε έναν νέο τύπο κράματος TC4 με δομή ανοικτών πόρων προσθέτοντας TiH2 ως παράγοντα αφρισμού και ενεργοποιητή σε σκόνη στοιχείου τιτανίου αλουμινίου βαναδίου, με ομοιόμορφη κατανομή μεγέθους πόρων και μέγεθος πόρων που κυμαίνεται από 90 έως 190 μm. Το πορώδες είναι περίπου 43 τοις εκατό ~ 59 τοις εκατό και ο συντελεστής ελαστικότητας κυμαίνεται από 5,8 έως 9,5 GPa. Engine et al. [35] παρασκεύασε πολυμικροπορώδη κράματα τιτανίου χρησιμοποιώντας τεχνολογία χύτευσης με έγχυση σκόνης (PIM) σε συνδυασμό με την τεχνολογία παράγοντα σχηματισμού πόρων και μελέτησε την επίδραση της ποσότητας του μεθακρυλικού πολυμεθυλικού παράγοντα σχηματισμού πόρων στην πυκνότητα, τη θλιπτική αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας του κράματος.

Tuncer et al. [36] χρησιμοποίησε ένα σύστημα ψεκασμένης σφαιρικής σκόνης, σκόνης τιτανίου HDH και συνδετικού με βάση το κερί για να μελετήσει την επίδραση της αρχικής σκόνης στην απόδοση του τελικού πορώδους προϊόντος τιτανίου προσθέτοντας μια ορισμένη ποσότητα NaCl και KCl ως παράγοντες σχηματισμού πόρων. Επιπλέον, ρυθμίζοντας την ποσότητα των παραγόντων σχηματισμού πόρων, ελήφθη ένα πορώδες υλικό τιτανίου με το απαιτούμενο πορώδες και μέγεθος πόρων για ιατρικά εμφυτεύματα και η χημική σύνθεση του υλικού θα μπορούσε να πληροί το πρότυπο καθαρού τιτανίου τρίτης ποιότητας.

Οι Chen et al. [37] χρησιμοποίησε NaCl ως παράγοντα σχηματισμού πόρων και υδρογονωμένο αφυδρογονωμένο υλικό έγχυσης με βάση το κερί σκόνης τιτανίου για την προετοιμασία δειγμάτων χυτευμένων με έγχυση. Τα ληφθέντα δείγματα είχαν πορώδες 42,4 τοις εκατό ~ 71,6 τοις εκατό και μέγεθος πόρων 300 μm. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 6. Ρυθμίζοντας την ποσότητα του NaCl που χρησιμοποιείται, μπορούν να σχηματιστούν διασυνδεδεμένοι πόροι μέσα στο τμήμα έγχυσης και οι μηχανικές τους ιδιότητες είναι παρόμοιες με εκείνες του σπογγώδους οστού.

Barbosa et al. [38] χρησιμοποίησε για πρώτη φορά σκόνη Fe22Cr για να δοκιμάσει τις ρεολογικές ιδιότητες των υλικών έγχυσης με διαφορετικά συστήματα συνδετικού υλικού. Με βάση τα αποτελέσματα της δοκιμής απόδοσης, επιλέχθηκε ένα κατάλληλο συνδετικό σύστημα με βάση το κερί. Στη συνέχεια, η σκόνη Ti και ο παράγοντας σχηματισμού πόρων NaCl συνδυάστηκαν για θερμή συμπίεση και χύτευση με έγχυση πολλαπλών συστατικών. Μετά την απολίπανση και την πυροσυσσωμάτωση, παρασκευάστηκε ένα εξάρτημα εμφυτεύματος σπονδυλικής στήλης με πυκνό πυρήνα και κλίση εξωτερικού πορώδους.

6 Πορώδες συστατικό χύτευσης με έγχυση τιτανίου που χρησιμοποιεί NaCl ως θήκη χώρου

Ο υδροξυαπατίτης (ΗΑ), με την ίδια χημική σύσταση και κρυσταλλική δομή με τον ανθρώπινο φυσικό οστικό ιστό, έχει μοναδικά πλεονεκτήματα στην οστική αντικατάσταση και την οστική αναδόμηση και έχει αρχίσει να διαδραματίζει όλο και πιο σημαντικό ρόλο στις βιοϊατρικές συσκευές.

Ωστόσο, λόγω της υψηλής ευθραυστότητας και των φτωχών μηχανικών ιδιοτήτων του, το ΗΑ δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο ως φέρον συστατικό, με αποτέλεσμα την εμφάνιση ενός νέου τύπου βιοϊατρικού υλικού που αποτελείται από υλικά HA και τιτάνιο.

Οι Thian et al. Ο [39-42] μελέτησε την παρασκευή σύνθετων υλικών Ti6Al4V/HA χρησιμοποιώντας τη μέθοδο χύτευσης με έγχυση. Αρχικά, παρασκευάστηκε σύνθετη σκόνη Ti6Al4V/HA χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του κεραμικού πολτού. Στη συνέχεια, η παρασκευασμένη σκόνη αναμίχθηκε με εμπορικό συνδετικό PAN-250S για να παρασκευαστεί ένα υλικό έγχυσης παρατήρησης. Οι ρεολογικές ιδιότητες του υλικού έγχυσης δοκιμάστηκαν και μελετήθηκαν οι επιδράσεις του ρυθμού θέρμανσης και του ρυθμού ροής αερίου της ατμόσφαιρας αποκόλλησης στα ελαττώματα αποκόλλησης, την ποσότητα απομάκρυνσης του συνδετικού υλικού και την περιεκτικότητα σε υπολειμματικό άνθρακα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αποκόλλησης. Η επίδραση των παραμέτρων της διαδικασίας πυροσυσσωμάτωσης (ρυθμός θέρμανσης, θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης, χρόνος διατήρησης, ρυθμός ψύξης, κ.λπ.) στην απόδοση του τελικού δείγματος, με αποτέλεσμα πορώδες περίπου 50 τοις εκατό του δείγματος. Επιπλέον, η διαδικασία βιολογικής αποδόμησης του παρασκευασμένου υλικού Ti6Al4V/HA στο περιβάλλον υγρών του σώματος αναλύθηκε και χαρακτηρίστηκε μέσω των αποτελεσμάτων δοκιμών των μηχανικών ιδιοτήτων.

2.2 Νέα υλικά από κράμα τιτανίου

Ο βιοϊατρικός τομέας, ως σημαντικός κλάδος εφαρμογής υλικών τιτανίου, η κατεύθυνση της ζήτησης εφαρμογής επηρεάζει άμεσα την τάση ανάπτυξης των υλικών τιτανίου.

Τα πρώιμα υλικά τιτανίου χρησιμοποιούσαν καθαρό τιτάνιο (Κυρίως αποτελούνται από φάσεις, αλλά τα υλικά καθαρού τιτανίου έχουν χαμηλότερη αντοχή και κακή αντοχή στη φθορά, οδηγώντας στην ανάπτυξη υλικών υψηλής αντοχής και σκληρότητας που αντιπροσωπεύονται από Ti6Al4V, Ti6Al7Nb και Ti5Al2.5Fe συν κράμα τύπου Α .

Οι Aust et al. [43] κατασκεύασε επιτυχώς υλικά οστέινων βιδών με εξαιρετική απόδοση χρησιμοποιώντας σκόνη Ti6Al7Nb και σύστημα συνδετικού με βάση το κερί (παραφίνη συν PE συν στεατικό οξύ), όπως φαίνεται στο Σχήμα 7. Το υλικό έχει σχετική πυκνότητα 97,6 τοις εκατό, αντοχή σε εφελκυσμό 815 MPa , αντοχή διαρροής 714 MPa και επιμήκυνση 8,7 τοις εκατό.

Ερευνητικά αποτελέσματα έδειξαν ότι στοιχεία κράματος όπως Al και V σε ευρέως χρησιμοποιούμενα κράματα τιτανίου αλουμινίου βαναδίου και κράματα τιτανίου αλουμινίου νιοβίου απελευθερώνουν κυτταροτοξικά ιόντα Al και V μετά την είσοδο των εμφυτευμάτων στο ανθρώπινο σώμα, προκαλώντας βλάβη στο ανθρώπινο σώμα.

Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές διεξήγαγαν μια σειρά πειραμάτων νέας γενιάς που περιέχουν στοιχεία βιοασφάλειας όπως Nb, Ta, Zr, Mo, Sn, αλλά όχι στοιχεία Al και V Ανάπτυξη συστημάτων κράματος τιτανίου.

Τα βιολογικά κράματα τιτανίου που έχουν αναπτυχθεί και ερευνηθεί επί του παρόντος περιλαμβάνουν κυρίως Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr και Ti{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Λόγω διάφορων περιορισμών, όπως η τεχνολογία κατασκευής σκόνης, αυτά τα συστήματα κραμάτων δεν χρησιμοποιούνται ευρέως στις διαδικασίες χύτευσης με έγχυση σκόνης.

Οι Zhao et al. [45] χρησιμοποίησε σκόνη τιτανίου και σκόνη νιοβίου για πειράματα χύτευσης με έγχυση για να παρασκευάσει επιτυχώς κράματα διπλής φάσης TiNb με σχετική πυκνότητα περίπου 95 τοις εκατό. Με τη δοκιμή των μηχανικών ιδιοτήτων των πράσινων τεμαχίων, των εξαρτημάτων αποκόλλησης και των συντηγμένων μερών, καθώς και παρατηρώντας και συγκρίνοντας τη μικροδομή των συντηγμένων μερών με διαφορετικές περιεκτικότητες σύνθεσης κράματος, μελετήθηκε η επίδραση της περιεκτικότητας σε Nb στη μικροδομή και τις μηχανικές ιδιότητες του κράματος.

Οι Arokiasamy et al. [46] παρασκεύασε ένα κράμα Ti-5Fe-5Zr προσθέτοντας στοιχεία Fe και Zr σε καθαρή σκόνη τιτανίου HDH και μέτρησε τις μηχανικές ιδιότητες του κράματος. Με βάση τα αποτελέσματα των δοκιμών, ελήφθη ο μηχανισμός των υπολειπόμενων πόρων και η επίδραση του TiC στις ιδιότητες του υλικού του κράματος.

 

Εικ. 7Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb βίδα οστού που παρασκευάστηκε από την MIM

3 Outlook

Το χαμηλό ειδικό βάρος, η υψηλή ειδική αντοχή, η εξαιρετική βιοσυμβατότητα, η αντοχή στην οξείδωση και η καλή αντοχή στη διάβρωση του τιτανίου και των κραμάτων τιτανίου έχουν μεγάλες δυνατότητες ανάπτυξης σε εφαρμογές όπως η αεροδιαστημική, η ιατρική, η χημική, η αυτοκινητοβιομηχανία και τα καθημερινά καταναλωτικά αγαθά.

Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές τεχνικές επεξεργασίας όπως η σφυρηλάτηση, η χύτευση και η μηχανική κατεργασία, η τεχνολογία χύτευσης με έγχυση σκόνης έχει προφανή πλεονεκτήματα, όπως ομοιόμορφη σύνθεση κράματος, υψηλό ποσοστό χρήσης πρώτων υλών και ισχυρή ικανότητα παραγωγής για μεγάλες ποσότητες σύνθετων εξαρτημάτων, τα οποία μπορούν να προωθήσουν σημαντικά την παραγωγή και εφαρμογή προϊόντων τιτανίου και κραμάτων τιτανίου.

Αν και έχει σημειωθεί κάποια πρόοδος στην έρευνα της χύτευσης με έγχυση τιτανίου και κράματος τιτανίου, μια σειρά προβλημάτων πρέπει ακόμη να επιλυθούν στην πραγματική διαδικασία βιομηχανικής παραγωγής, όπως η υψηλή τιμή των πρώτων υλών σε σκόνη υψηλής ποιότητας, η ανεπαρκής μετατροπή και εφαρμογή νέων συστημάτων κράματος τιτανίου υψηλής ποιότητας για χύτευση με έγχυση και δυσκολία στον έλεγχο της χημικής σύνθεσης του προϊόντος.

Επιπλέον, με την ταχεία ανάπτυξη της τεχνολογίας μικροσυστημάτων τα τελευταία χρόνια, η ζήτηση για μικροσύνθετα εξαρτήματα που εφαρμόζονται στα μικροσυστήματα συνεχίζει να αυξάνεται. Η χύτευση με έγχυση σκόνης πρέπει να μετατοπιστεί από τους παραδοσιακούς τύπους προϊόντων σε μικροπροϊόντα και να εξελιχθεί σε τεχνολογία χύτευσης με μικροέγχυση σκόνης.

Προς το παρόν, η τεχνολογία χύτευσης με μικροέγχυση επικεντρώνεται κυρίως σε συστήματα υλικών όπως τα πολυμερή και ο ανοξείδωτος χάλυβας και εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά θέματα που πρέπει να μελετηθούν στη χύτευση με μικροέγχυση τιτανίου και κραμάτων τιτανίου.

Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη της έρευνας χύτευσης με έγχυση τιτανίου και κράματος τιτανίου θα πρέπει να επικεντρωθεί στην έρευνα και ανάπτυξη νέων συστημάτων κράματος τιτανίου, στην ανάπτυξη χαμηλού κόστους και υψηλής ποιότητας τεχνολογίας παρασκευής σκόνης κράματος τιτανίου και στη μελέτη της μικρομορφοποίησης με έγχυση υλικού τιτανίου κατάλληλο για μικροσύνθετες συσκευές.

Με την εμβάθυνση της έρευνας για την τεχνολογία χύτευσης με έγχυση τιτανίου και κράματος τιτανίου, πιστεύεται ότι η τεχνολογία χύτευσης με έγχυση τιτανίου και κράματος τιτανίου θα σημειώσει σημαντική πρόοδο, προωθώντας έτσι την ταχεία ανάπτυξη της βιομηχανίας τιτανίου.