Teknologi cetakan injeksi bubuk logam paduan titanium dan titanium

Teknologi cetakan injeksi bubuk logam paduan titanium dan titanium

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. telah mencapai produksi massal melalui penelitian dan pengembangan berkelanjutan, inovasi, pengujian, logam titanium, dan proses pencetakan injeksi logam paduan titanium pada tahun 2008. Jika ada pelanggan yang membutuhkan, silakan kirim email: bisnis- mall@zw-jm.com Berikan ke perusahaan kami, dan insinyur profesional akan membalas Anda tepat waktu dalam hari kerja terpendek,

Ringkasan

Paduan titanium dan titanium memiliki berat jenis yang rendah, kekuatan jenis yang tinggi, biokompatibilitas yang sangat baik, dan ketahanan korosi yang baik, dan memiliki potensi aplikasi yang besar di bidang-bidang seperti ruang angkasa, biomedis, kimia, dan otomotif.

Teknologi cetakan injeksi serbuk logam paduan titanium dan titanium (MIM) dapat mencapai persiapan skala besar dan murah dari produk titanium berbentuk kompleks berukuran kecil dan menengah, yang sangat penting untuk mempromosikan produksi dan penerapan produk titanium dan paduan titanium .

Artikel ini memperkenalkan karakteristik dan keunggulan cetakan injeksi serbuk logam dari paduan titanium dan titanium. Ini merangkum kemajuan penelitian teknologi cetakan injeksi bubuk logam paduan titanium dan titanium dari aspek bahan baku bubuk, sistem pengikat, cetakan injeksi bubuk, debonding, dan sintering. Menanggapi masalah utama yang ada saat ini, ia menganalisis arah penelitian dan prospek pengembangan cetakan injeksi serbuk logam paduan titanium dan titanium.

Kata kunci titanium; paduan titanium; cetakan injeksi; Nomor klasifikasi kemajuan penelitian TF125.2; TF125.2 ditambah 2

(Catatan editor: pengantar bahasa Inggris dihilangkan...)

Sejak metode produksi industri untuk memperoleh logam titanium dari bijih dikuasai pada tahun 1840-an, titanium dan paduan titanium telah banyak digunakan di fasilitas industri dan komersial. Namun, dibandingkan dengan baja, hasil tahunannya masih kecil, dan karena tingginya biaya bahan baku, ruang lingkup aplikasinya sebagian besar terbatas pada industri kelautan, industri kimia, industri kedirgantaraan, alat kesehatan, implan, barang mewah dan industri lainnya. dengan persyaratan tinggi untuk kinerja material.

Saat ini, selain tingginya harga bahan baku, kesulitan dalam memproses dan membentuk paduan titanium dan titanium sangat membatasi ruang lingkup aplikasinya.

Kemampuan mesin titanium dan paduan titanium buruk, dan metode pemesinan tradisional memiliki peralatan yang mahal dan efisiensi pemrosesan yang rendah, sangat meningkatkan biaya pemrosesannya; Struktur bagian titanium yang dapat dikerjakan dengan mesin sangat sederhana, dan karena keterbatasan metode pemrosesan, sebagian besar tidak dapat mencapai solusi desain yang dapat memaksimalkan kinerja material.

Dalam konteks ini, cetakan injeksi logam (MIM), yang memiliki keunggulan pemanfaatan bahan baku yang tinggi dan biaya produksi batch yang rendah, telah menjadi proses pemrosesan paduan titanium dan titanium yang ideal [1-4].

Proses pencetakan injeksi serbuk logam biasanya mencakup beberapa proses dasar seperti persiapan bahan injeksi, pencetakan injeksi, debonding, sintering, dan pasca pemrosesan yang diperlukan.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, bubuk logam dan komponen pengikat organik pertama-tama dicampur, dicampur, dan digranulasi untuk menyiapkan bahan injeksi. Kemudian, bahan injeksi diinjeksikan ke dalam cetakan pada suhu dan tekanan tertentu, didinginkan, dan didemolding untuk mendapatkan green product dengan bentuk tertentu. Kemudian, melalui proses debonding, semua komponen organik kecuali serbuk logam dihilangkan dari produk hijau, membentuk produk hijau debonding. Akhirnya, sintering dilakukan untuk mendapatkan kinerja produk yang diinginkan.

Teknologi pencetakan injeksi serbuk logam telah mencapai kombinasi organik dari pencetakan injeksi dan teknologi metalurgi serbuk tradisional, mengatasi kerugian dari biaya pemesinan yang tinggi, bentuk sederhana dari proses pencetakan tradisional, efisiensi produksi yang rendah dari proses pengepresan isostatik dan pencetakan injeksi, banyak cacat pada tradisional proses pengecoran, dan akurasi toleransi rendah. Ini telah sangat mempromosikan produksi dan penerapan produk titanium dan paduan titanium (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2).

1 Bagan alir titanium dan paduan titanium yang diproduksi oleh MIM

 

2 Aplikasi titanium dan paduan titanium yang diproduksi oleh MIM

 

Status penelitian cetakan injeksi bubuk logam paduan titanium dan titanium

Penelitian telah menunjukkan bahwa sifat mekanik, ketahanan korosi, dan sifat biomedis dari produk cetakan injeksi titanium dan paduan titanium sangat dipengaruhi oleh empat aspek: kerapatan relatif, kandungan pengotor, elemen paduan, dan struktur mikro.

Setelah produk cetakan injeksi disinter, kerapatan relatifnya sekitar 95 persen, dan akan ada proporsi pori sisa tertentu.

Pori-pori residu ini akan menjadi sumber retakan saat sampel pecah, dan berdampak lebih besar pada kekuatan tarik, keuletan, ketangguhan retak, kekuatan kelelahan dan sifat mekanik material lainnya. Oleh karena itu, semakin tinggi kerapatan relatif produk cetakan injeksi titanium dan paduan titanium, semakin baik sifat mekaniknya.

Elemen pengotor seperti oksigen, karbon, nitrogen, hidrogen, dll., Terutama oksigen, dapat meningkatkan kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan kekerasan material, mengurangi keuletan. Pada suhu sintering, elemen pengotor larut dalam matriks titanium. Karena kurangnya zat pereduksi yang efektif, sulit untuk mengontrol unsur pengotor dalam titanium dan paduan titanium selama proses sintering. Ini membutuhkan meminimalkan jumlah oksigen yang ditambahkan ke bahan mentah dan setiap langkah proses selanjutnya.

Mikrostruktur titanium dan paduan titanium, termasuk ukuran butir dan komposisi fasa setelah sintering, dapat mempengaruhi sifat mekanik material. Secara keseluruhan, material injeksi titanium dan paduan titanium dengan kinerja yang sangat baik memiliki kepadatan tinggi, kandungan pengotor rendah (biasanya kandungan oksigen), komposisi paduan yang sesuai, ukuran butiran halus selama densifikasi, dan lebih sedikit cacat [5].

1.1 Bahan baku bubuk

Pemilihan bahan baku bubuk merupakan langkah penting dalam proses pencetakan injeksi bubuk titanium. Distribusi ukuran partikel dan morfologi bubuk secara langsung mempengaruhi fluiditas dan kemampuan bentuk senyawa cetakan injeksi, retensi bentuk benda hijau selama proses debonding dan laju penyusutan selama proses sintering.

Metode yang umum digunakan untuk menyiapkan bubuk titanium dan paduan titanium meliputi metode mekanis dan metode atomisasi.

Bentuk serbuk yang diperoleh dengan metode mekanis seperti penggilingan bola, penggilingan bola pengadukan, penggilingan bola getaran energi tinggi, dan penghancuran aliran udara umumnya tidak beraturan atau bersudut.

Proses hydrogenation dehydrogenation (HDH) menggunakan karakteristik embrittlement yang jelas dari titanium setelah penyerapan hidrogen. Itu dihancurkan dengan penggilingan mekanis atau penghancuran aliran udara, dan kemudian mengalami dehidrogenasi untuk mendapatkan bubuk titanium berbentuk tidak beraturan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 (a). Metode atomisasi (seperti atomisasi gas lembam, atomisasi elektroda putar berkas plasma dan atomisasi gas peleburan induksi elektroda) dapat dilakukan dalam atmosfer yang benar-benar lembam, untuk menjaga kemurnian bubuk mentah yang tinggi. Serbuk yang disiapkan berbentuk bulat dan memiliki distribusi ukuran partikel yang cukup luas, dengan kinerja penumpukan yang baik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 (b).

Selain itu, tidak seperti teknologi produksi bubuk baja, produksi bubuk titanium yang lebih halus lebih sulit. Ketika ukuran partikel berkurang, luas permukaan spesifik meningkat, dan kandungan elemen pengotor juga meningkat.

Biasanya, MIM menggunakan serbuk titanium dengan ukuran partikel kurang dari 45 μm. Ketika partikel bubuk terlalu besar, proses injeksi rentan terhadap pemisahan pengikat bubuk dan pembentukan cacat. Desain komposisi bahan injeksi dan desain cetakan harus benar-benar diperhatikan [5].

Gbr.3 Serbuk titanium HDH (a) dan gas yang dikabutkan (b) digunakan dalam MIM

1.2 Perekat

Pengikat adalah pembawa yang ada secara bertahap di seluruh proses pencetakan injeksi, dan fungsi utamanya adalah mengisi cetakan dengan bubuk secara merata dalam keadaan cair, membentuk bentuk yang diinginkan, dan mempertahankannya hingga tahap pra sintering.

Dalam proses pencetakan injeksi, pengikat harus memiliki karakteristik sebagai berikut: titik leleh rendah, keterbasahan yang baik terhadap partikel bubuk, dan pemadatan cepat, yang nyaman untuk persiapan bahan injeksi; Memiliki fluiditas yang baik pada suhu injeksi; Setelah terbentuk, dapat dengan mudah dikeluarkan dari billet, dengan bahan sisa yang lebih sedikit dan produk dekomposisi yang tidak beracun dan tidak korosif.

Secara umum, komponen pengikat setidaknya mencakup komponen utama dan komponen sekunder:

Komponen utama digunakan untuk membasahi partikel serbuk logam dan memberikan kemampuan mengalir yang diperlukan, sedangkan komponen sekunder memastikan bahwa badan hijau injeksi masih memiliki kekuatan yang cukup selama proses injeksi dan setelah pelepasan komponen utama pengikat.

Dalam kebanyakan kasus, sistem pengikat memiliki komponen ketiga, seperti surfaktan, untuk meningkatkan kompatibilitas antara serbuk logam dan polimer.

Menurut komponen utama yang berbeda dalam komponen pengikat, sistem pengikat yang umum digunakan dapat dibagi menjadi sistem berbasis lilin, sistem berbasis senyawa aromatik, sistem polioksimetilena, dan sistem berbasis air.

1.2.1 Pengikat berbahan dasar lilin

Lilin yang biasa digunakan untuk pengikat sistem berbasis lilin mencakup beberapa polimer rantai pendek seperti parafin, lilin lebah, lilin sawit, dll. Mereka memiliki titik leleh rendah, keterbasahan yang baik, rantai molekul pendek, viskositas rendah, dan perubahan volume yang lebih kecil selama dekomposisi dibandingkan dengan yang lain. polimer, yang kondusif untuk memastikan akurasi dimensi produk.

Komponen sekunder yang umum digunakan dari sistem berbasis lilin meliputi polipropilen, polietilen, kopolimer etilena vinil asetat, dan polimetil metakrilat dengan berat molekul tinggi. Selain pengikat lilin dan kerangka, surfaktan seperti asam stearat biasanya ditambahkan untuk meningkatkan kompatibilitas antara bubuk dan polimer.

Sistem pengikat berbasis lilin yang paling awal dilaporkan dalam literatur adalah Kaneko et al. [6], yang menggunakan kopolimer parafin polibutil metakrilat etilena vinil asetat dibutil ftalat sebagai pengikat dan bubuk titanium untuk menyiapkan bahan injeksi komentar. Pemuatan bubuk adalah 56 persen, dan setelah debonding, itu disinter pada 1300 derajat C dan 1,3 Pa. Sampel sinter yang diperoleh memiliki kerapatan relatif 94 persen dan kekuatan tekan 1000 MPa, tetapi karena kandungan pengotor yang tinggi, itu hampir tidak memiliki keuletan.

Kato et al. [7] mempelajari proses debonding dua langkah yang menggabungkan debonding vakum dan debonding atmosfir argon, yang secara signifikan mengurangi kandungan karbon dan oksigen di bagian yang disinter.

Guo dkk. [8-9] menggunakan polietilen glikol dengan keterbasahan yang lebih baik untuk menggantikan beberapa parafin dan mengembangkan sistem pengikat asam stearat polietilen polietilen polipropilena parafin parafin, yang digunakan dalam cetakan injeksi paduan titanium aluminium vanadium murni dan titanium. Bagian yang disinter memiliki retensi bentuk yang baik dan gerakan gelombang inci kecil. Karena pengurangan kandungan oksigen dan karbon, kinerjanya sangat meningkat, menghasilkan kinerja yang baik.

Selain itu, para peneliti telah menggunakan lilin sawit sebagai pengganti parsial lilin parafin [10-13] dan minyak sawit sebagai pengganti lilin parafin lengkap [14] untuk sistem pengikat berbasis lilin, yang memiliki efek pembentukan yang baik. Namun, karena unsur oksigen yang terkandung dalam lilin sawit itu sendiri, juga merupakan sumber peningkatan oksigen,

Saat ini, sistem pengikat berbasis lilin optimal yang dilaporkan dalam literatur diusulkan oleh Friederici et al. [15]. Selama proses percobaan, empat rasio pengikat dibentuk dengan menyesuaikan proporsi parafin, polietilen densitas rendah, dan asam stearat, dan bahan injeksi yang berbeda dibentuk, didebonding, dan disinter berdasarkan rasio ini. Sampel dengan kerapatan relatif 98,1 persen dan komposisi kimia yang memenuhi persyaratan titanium murni sekunder diperoleh.

Sistem pengikat berbasis lilin memainkan peran penting dalam pencetakan injeksi, tetapi karena efisiensi debonding pelarut yang rendah menggunakan pelarut organik, para peneliti terus berinovasi dan mengembangkan sistem pengikat baru.

1.2.2 Pengikat berbasis senyawa aromatik

Senyawa aromatik (seperti naftalena, antrasena, dll.) dapat larut pada suhu yang sangat rendah, dan dalam kondisi tekanan rendah, dapat langsung diubah dari padat menjadi gas melalui sublimasi pada suhu di bawah titik lelehnya. Menggunakan senyawa aromatik sebagai komponen pengikat dapat sangat meningkatkan efisiensi proses debonding.

Weil et al. [16-18] menggunakan senyawa aromatik dalam cetakan injeksi serbuk logam titanium. Dalam penelitiannya, paduan titanium aluminium vanadium padat dan paduan titanium aluminium vanadium berpori dibuat menggunakan naftalena, fraksi massa 1 persen asam stearat, dan fraksi massa etilen asetat etilen kopolimer 3 persen hingga 12 persen sebagai pengikat.

Selama percobaan, karena sublimasi langsung naftalena menjadi gas, tidak ada fase cair yang muncul selama proses debonding, dan volume sampel tidak berubah. Tidak seperti degreasing pelarut, energi permukaan yang terlibat dalam metode sublimasi relatif rendah, yang berarti bahwa cacat degreasing umum seperti deformasi dan retak dapat dihindari. Pada akhirnya, densitas relatif dari sampel yang disinter adalah 96,6 persen, dan kandungan karbonnya tidak meningkat.

Meskipun sistem perekat telah mencapai kinerja produk yang sangat baik, senyawa aromatik dalam sistem tersebut masih berdampak pada lingkungan dan kesehatan fisik, dan belum dipelajari atau diterapkan lebih lanjut dalam skala besar.

1.2.3 Pengikat berbahan dasar polioksimetilena

Polyformaldehyde pertama kali digunakan dalam sistem pengikat oleh Celanese Corp pada tahun 1984, dan kemudian dikembangkan oleh BASF, sehingga memungkinkan komponen pengikat tidak mengandung lilin atau komponen dengan berat molekul kecil [19].

Poliformaldehida adalah komponen utama dari sistem pengikat ini, dan polietilen (PE) secara bertahap ditambahkan sebagai pengikat kerangka selama proses pengembangan selanjutnya.

Saat ini, BASF telah membentuk bahan cetakan injeksi berdasarkan sistem pengikat ini, meliputi banyak bahan seperti baja paduan rendah, baja tahan karat, baja perkakas, paduan titanium dan titanium, serta keramik.

Karakteristik penting poliformaldehida adalah kepekaannya terhadap pereaksi asam dan kerentanannya terhadap dekomposisi asam. Oleh karena itu, tubuh hijau dapat diolah dalam suasana asam di bawah suhu pelunakannya. Proses polioksimetilena dalam keadaan padat, menghindari cacat seperti retakan dan pemuaian yang disebabkan oleh perebusan komponen pengikat. Selain itu, deformasinya kecil, retensi bentuknya bagus, dan kontrol ukurannya akurat.

Selain itu, karena tingkat difusi yang tinggi, dibandingkan dengan metode degreasing lainnya, tingkat degreasing lebih tinggi, mencapai 10 kali tingkat debonding pelarut tradisional, sementara memungkinkan debonding ukuran lebih tebal [20].

Meskipun sistem pengikat berbahan dasar polioksimetilena memiliki banyak keuntungan yang disebutkan di atas, sistem ini juga memiliki banyak kelemahan.

Proses debonding katalitik sering menggunakan uap asam nitrat yang sangat korosif sebagai katalis. Di satu sisi, poliformaldehida dapat terurai selama persiapan bahan injeksi dan tahap pencetakan injeksi, menghasilkan formaldehida yang sangat beracun. Selain itu, produk dekomposisi perlu dihilangkan melalui pembakaran dua langkah. Di sisi lain, suasana asam yang memainkan peran katalitik memiliki sifat korosif yang lebih besar pada peralatan, sehingga membutuhkan lebih banyak investasi.

1.2.4 Pengikat berbahan dasar air

Pelarut debonding (seperti heptana dan heksana) atau produk dekomposisi dari komponen zat pengikat (monomer senyawa aromatik dan formaldehida) yang digunakan dalam beberapa sistem zat pengikat tersebut di atas kurang lebih berbahaya bagi lingkungan dan operator. Oleh karena itu, pengembangan dan pemanfaatan sistem bahan pengikat pelarut yang ramah lingkungan sangat penting.

Sistem pengikat ramah lingkungan yang ada menggunakan air sebagai pelarut debonding.

Menurut peran air yang berbeda dalam persiapan bahan injeksi, sistem pengikat semacam ini dapat dibagi menjadi berbasis gel dan berbasis non gel.

Polimer yang umum digunakan dalam sistem berbasis non gel adalah polietilen glikol, yang memiliki kinerja yang baik dan murah serta mudah diperoleh. Polietilen glikol dengan berat molekul rendah dapat dihilangkan dengan cepat dan hampir seluruhnya pada suhu 60 derajat C, dengan kisaran berat molekul yang umum digunakan sekitar 500-2000. Pengikat kerangka yang umum digunakan adalah polimetil metakrilat dengan berat molekul 10.000.

Sidambe et al. [21] menggunakan komponen pengikat yang larut dalam air dari asam stearat polietilen glikol polimetil metakrilat untuk belajar pada tingkat pemuatan bubuk 69 persen .

Dalam percobaan, polietilen glikol benar-benar dihilangkan dalam air pada 55 derajat C setelah 5 jam, dan polimetil metakrilat dihilangkan sepenuhnya dalam aliran gas argon debonding panas pada 440 derajat C. Kandungan oksigen akhir (fraksi massa) dari sampel yang disiapkan adalah 0,2 persen , dengan kekuatan tarik yang sesuai 850-880 MPa dan perpanjangan 8,5 persen -16 persen , memenuhi standar ASTM grade 5 Ti.

Sebagian besar pengikat berbasis gel adalah bahan alami, seperti selulosa, agar pati, dll.

Tokura et al. [22] menggunakan agar untuk menggantikan pengikat polimer dalam cetakan injeksi bubuk titanium dan mempelajari stabilitas termal, kelarutan, dan viskositas bahan injeksi dari sistem pengikat ini.

Suzuki [24] dkk. menyiapkan 97,3 persen sampel dengan kepadatan relatif menggunakan pengikat agar (berat molekul 82 500) yang mengandung fraksi massa 4 persen. Fraksi massa karbon dan oksigen dari sampel masing-masing adalah 0.33 persen dan 0.3 persen . Kekuatan luluh adalah 539 MPa, dan perpanjangan sekitar 10 persen. Hasil percobaan menunjukkan bahwa ketika menggunakan agar dengan berat molekul tinggi, kekuatan gel meningkat, tetapi kandungan karbon dan oksigen sisa tinggi, menghasilkan densitas sintering, kekuatan tarik dan pemanjangan potongan sinter yang lebih rendah.

Pengikat berbahan dasar air non gel mudah dikendalikan, peralatan degreasing lebih murah daripada metode degreasing lainnya, dan pengikat dapat terurai secara hayati dan tidak beracun bagi mikroorganisme, tetapi pengolahan air limbah untuk degreasing membutuhkan biaya tambahan.

Sulit untuk mengontrol ukuran bagian akhir yang dihasilkan oleh senyawa cetakan injeksi sistem pengikat berbasis gel, dan komposisinya tidak cukup stabil, sehingga kondisi proses dan kontrol kualitas sulit, dan masih diperlukan penelitian dan optimisasi lebih lanjut.

1.3 Cetakan injeksi, debonding, dan sintering

Parameter proses pencetakan injeksi ditentukan oleh kinerja bahan injeksi dan bentuk geometris produk target.

Seperti disebutkan sebelumnya, ukuran partikel bubuk titanium biasanya kasar, yang rentan terhadap pemisahan pengikat bubuk dibandingkan dengan cetakan injeksi bahan stainless steel. Sebelum pencetakan injeksi, parameter proses pembentukan yang sesuai harus dikembangkan berdasarkan sifat reologi bahan injeksi untuk mengurangi cacat pada billet yang terbentuk.

Wang dkk. [25] menyiapkan bahan cetakan injeksi menggunakan paduan Ti-6Al-4V yang dikombinasikan dengan sistem pengikat berbasis lilin bubuk, dan menguji serta menganalisis sifat reologi bahan injeksi di bawah jumlah dan suhu pemuatan bubuk yang berbeda, memberikan dasar untuk mengembangkan parameter pembentukan yang sesuai untuk proses pencetakan injeksi.

Park dkk. menyiapkan bahan injeksi menggunakan bubuk titanium aerosol, bubuk titanium HDH, dan bubuk titanium HDH spheroid, dan mengukur sifat reologi dan perilaku debondingnya. Mereka mengusulkan indeks kemampuan bentuk untuk bahan injeksi dan mengevaluasi kinerjanya berdasarkan ini. Hasil analisis memberikan dasar teori untuk penggunaan bubuk HDH dan bubuk aerosol secara bersamaan dalam sistem bahan injeksi.

Barriere et al. [27] mengeksplorasi parameter proses yang optimal untuk memproduksi bagian cetakan injeksi logam tanpa cacat dan dengan sifat mekanik yang diperlukan berdasarkan proses simulasi eksperimental dan numerik. Berdasarkan teknik pemodelan, persamaan aliran dua fase dan algoritma eksplisit yang baru dikembangkan digunakan untuk memprediksi fenomena pemisahan material selama proses injeksi menggunakan simulasi numerik.

Chen dkk. [28] menggunakan serbuk pre-paduan Ti-6Al-4V terhidrogenasi terdehidrogenasi dan sistem pengikat yang larut dalam air untuk menyiapkan bahan injeksi komentar, dan kemudian mengukur laju penghilangan komponen pengikat polietilen glikol yang larut dalam air dalam sampel dengan ketebalan yang berbeda pada suhu yang berbeda. Model matematis debonding terkontrol difusi dibuat untuk menentukan mekanisme debonding dari sistem pengikat.

Sidambe [29] dan lainnya menggunakan metode Taguchi untuk menentukan kombinasi optimal dari suhu sintering, waktu, laju pemanasan, atmosfer dan parameter lainnya.

Nor et al. [30] menyiapkan bahan injeksi Ti – 6Al – 4V dengan menggunakan sistem pengikat palm stearat dan polietilen, dan memformulasikan proses produksi yang optimal dengan menggunakan metode Taguchi. Akhirnya, sampel dengan kekuatan luluh 934,4 MPa dan perpanjangan 10 persen diperoleh, dan kinerja keseluruhannya memenuhi persyaratan paduan titanium medis ASTM B348-02.

Obasi dkk. [31] menyiapkan spesimen Ti-6Al-4V dengan properti yang memenuhi persyaratan paduan titanium ASTM B348-02 kelas 23, dan mempelajari efek perubahan dalam sistem parameter proses dasar pada suhu proses degreasing dan sintering komponen MIM serbuk Ti-6Al-4V.

Limberg dkk. [32] menyiapkan Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C menggunakan campuran bubuk unsur selama proses pencetakan injeksi, dan mempelajari efek waktu sintering dan atmosfer pada sifat tarik dan struktur mikro. Sampel dengan kekuatan tarik sekitar 630 MPa diperoleh.

Guo dkk. [8-9] menyiapkan material titanium murni dan Ti-6Al-4V menggunakan teknologi cetak injeksi, dan mempelajari efek dari proses perlakuan panas seperti pengepresan isostatik panas dan anil pada sifat material bahan paduan. Efek perlakuan panas dikarakterisasi secara kualitatif dan kuantitatif melalui pengujian struktur mikro dan sifat mekanik, dan struktur mikronya ditunjukkan pada Gambar 4.

Bahan injeksi komentar disiapkan dengan mencampur bubuk titanium teratomisasi, bubuk titanium dehidrogenasi terhidrogenasi, dan sistem pengikat berbahan dasar lilin. Setelah pencetakan injeksi, debonding pelarut dilakukan dalam campuran heptana dan etanol. Pengikat benar-benar dihapus setelah pemanasan sampai 350, 420, dan 600 derajat C pada tingkat pemanasan tertentu, dan suhu sintering 1230 derajat C selama 3 jam. Akhirnya, sifat tarik sampel yang disinter adalah 389-419 MPa, dan perpanjangannya 2-4 persen .

Anggota kelompok penelitian kami [33] menyiapkan sampel titanium murni menggunakan sistem bubuk titanium aerosol dan pengikat yang larut dalam air, dan mempelajari efek suhu sintering dan waktu penahanan pada sifat sampel titanium murni. Proses sintering dilakukan pada derajat vakum 10-4-10-3 Pa, dengan temperatur sintering 1350 derajat C dan elongasi 20,3 persen diperoleh setelah ditahan selama 3 jam. Sampel sepenuhnya sesuai dengan kinerja metalurgi serbuk terbaik dari ASTM F2989-13, dengan kerapatan relatif 96,9 persen dan kekuatan tarik 443 MPa, Standar Titanium Murni Kelas II Biomedis.

4 Struktur mikro sampel Ti (a) dan Ti-6Al-4V (b) yang dibuat dengan bahan baku berbasis lilin

2 Bahan Cetakan Injeksi Titanium dan Paduan Titanium Baru

Titanium dan paduan titanium saat ini banyak digunakan dalam ortopedi, peralatan gigi, dan implan medis. Namun, karena perbedaan sifat mekanik antara titanium dan tulang manusia (dengan modulus elastisitas sekitar 20 GPa), efek pelindung stres dihasilkan pada antarmuka tulang/implan, yang dapat sangat membahayakan hasil klinis jangka panjang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.

Oleh karena itu, para peneliti telah menyesuaikan sifat mekanik bahan titanium dengan mengubah struktur dan komposisi paduannya, menjadikannya lebih dekat dengan struktur dan kinerja tulang alami dalam tubuh manusia.

5 Perbandingan modulus elastisitas paduan titanium biomedis

2.1 Bahan titanium berpori dan komposit keramik titanium

Bahan titanium berpori dan bahan sistem paduan titanium baru memiliki struktur pori dan sifat mekanik yang sesuai, menjadikannya bahan yang ideal untuk implan pengganti ortopedi.

Di satu sisi, ini dapat secara efektif mengurangi ketidaksesuaian stres antara implan dan jaringan tulang, sehingga mengurangi efek pelindung stres dan mencapai fungsi implan yang tahan lama dan efektif; Di sisi lain, struktur berpori adalah kondisi yang diperlukan untuk sel tulang tumbuh ke dalam tubuh implan, dan struktur berpori yang saling berhubungan dapat memungkinkan sejumlah besar cairan tubuh melewatinya, yang selanjutnya mendorong pertumbuhan sel tulang.

Gu dkk. membentuk tipe baru paduan TC4 dengan struktur pori terbuka dengan menambahkan TiH2 sebagai agen pembusa dan aktivator ke bubuk elemen titanium aluminium vanadium, dengan distribusi ukuran pori yang seragam dan ukuran pori mulai dari 90 hingga 190 μm. Porositasnya sekitar 43 persen ~ 59 persen , dan modulus elastisitas berkisar antara 5,8 hingga 9,5 GPa. Mesin dkk. [35] menyiapkan paduan titanium multi mikropori menggunakan teknologi cetakan injeksi bubuk (PIM) yang dikombinasikan dengan teknologi agen pembentuk pori, dan mempelajari pengaruh jumlah polimetil metakrilat agen pembentuk pori pada kerapatan, kekuatan tekan, dan modulus elastisitas paduan.

Tuncer et al. [36] menggunakan sistem bubuk sferis yang dikabutkan, bubuk titanium HDH, dan pengikat berbasis lilin untuk mempelajari pengaruh bubuk awal pada kinerja produk titanium berpori akhir dengan menambahkan sejumlah NaCl dan KCl sebagai agen pembentuk pori. Selain itu, dengan menyesuaikan jumlah bahan pembentuk pori, diperoleh bahan titanium berpori dengan porositas dan ukuran pori yang diperlukan untuk implan medis, dan komposisi kimia bahan tersebut dapat memenuhi standar titanium murni kelas tiga.

Chen dkk. [37] menggunakan NaCl sebagai agen pembentuk pori dan bahan injeksi berbasis lilin bubuk titanium dehidrogenasi terhidrogenasi untuk menyiapkan sampel cetakan injeksi. Sampel yang diperoleh memiliki porositas 42,4 persen ~71,6 persen dan ukuran pori 300 μm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Dengan menyesuaikan jumlah NaCl yang digunakan, pori-pori yang saling berhubungan dapat terbentuk di dalam bagian injeksi, dan sifat mekaniknya mirip dengan tulang cancellous.

Barbosa dkk. [38] pertama kali menggunakan bubuk Fe22Cr untuk menguji sifat reologi bahan injeksi dengan sistem pengikat yang berbeda. Berdasarkan hasil uji kinerja, sistem pengikat berbasis lilin yang sesuai dipilih. Kemudian, bubuk Ti dan zat pembentuk pori NaCl digabungkan untuk pencetakan injeksi hangat dan multi-komponen. Setelah degreasing dan sintering, komponen implan tulang belakang dengan inti padat dan gradien porositas eksternal disiapkan.

6 Komponen cetakan injeksi titanium berpori menggunakan NaCl sebagai penahan ruang

Hidroksiapatit (HA), dengan komposisi kimia dan struktur kristal yang sama dengan jaringan tulang alami manusia, memiliki keunggulan unik dalam penggantian tulang dan rekonstruksi tulang, dan mulai memainkan peran yang semakin penting dalam perangkat biomedis.

Namun, karena kerapuhannya yang tinggi dan sifat mekaniknya yang buruk, HA tidak dapat digunakan sebagai komponen penahan beban saja, sehingga muncul jenis baru bahan biomedis yang terdiri dari bahan HA dan titanium.

Thian dkk. [39-42] mempelajari preparasi material komposit Ti6Al4V/HA menggunakan metode injection molding. Serbuk komposit Ti6Al4V/HA pertama kali dibuat menggunakan metode ceramic slurry. Kemudian, bubuk yang sudah disiapkan dicampur dengan pengikat komersial PAN-250S untuk menyiapkan bahan injeksi komentar. Sifat reologi bahan injeksi diuji, dan efek laju pemanasan dan laju aliran gas atmosfer debonding pada cacat debonding, jumlah penghilangan pengikat, dan kandungan karbon sisa selama proses debonding dipelajari; Pengaruh parameter proses sintering (laju pemanasan, suhu sintering, waktu penahanan, laju pendinginan, dll.) terhadap kinerja sampel akhir, menghasilkan porositas sekitar 50 persen sampel; Selain itu, proses degradasi biologis material Ti6Al4V/HA yang telah disiapkan di lingkungan cairan tubuh dianalisis dan dikarakterisasi melalui hasil uji sifat mekanik.

2.2 Bahan Paduan Titanium Baru

Bidang biomedis, sebagai cabang penting dari aplikasi material titanium, arah permintaan aplikasinya secara langsung mempengaruhi tren perkembangan material titanium.

Bahan titanium awal menggunakan titanium murni（ Terutama terdiri dari fase, tetapi bahan titanium murni memiliki kekuatan yang lebih rendah dan ketahanan aus yang buruk, yang mengarah ke pengembangan bahan berkekuatan tinggi dan ketangguhan tinggi yang diwakili oleh paduan Ti6Al4V, Ti6Al7Nb, dan Ti5Al2.5Fe plus Tipe A .

Aust dkk. [43] berhasil memproduksi bahan bone screw dengan kinerja yang sangat baik menggunakan bubuk Ti6Al7Nb dan sistem pengikat berbasis lilin (parafin ditambah PE ditambah asam stearat), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Bahan tersebut memiliki kerapatan relatif 97,6 persen, kekuatan tarik 815 MPa , kekuatan luluh 714 MPa, dan elongasi 8,7 persen .

Hasil penelitian telah menunjukkan bahwa unsur-unsur paduan seperti Al dan V dalam paduan titanium aluminium vanadium yang banyak digunakan dan paduan titanium aluminium niobium melepaskan ion sitotoksik Al dan V setelah implan memasuki tubuh manusia, menyebabkan kerusakan pada tubuh manusia.

Hasilnya, para peneliti melakukan serangkaian eksperimen generasi baru yang mengandung unsur biosafety seperti Nb, Ta, Zr, Mo, Sn, tetapi bukan unsur Al dan V. Pengembangan sistem paduan titanium.

Paduan titanium biologis yang dikembangkan dan diteliti saat ini terutama meliputi Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr, dan Ti{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Karena berbagai keterbatasan seperti teknologi pembuatan bubuk, sistem paduan ini tidak banyak digunakan dalam proses pencetakan injeksi bubuk.

Zhao dkk. [45] menggunakan bubuk titanium dan bubuk niobium untuk eksperimen pencetakan injeksi agar berhasil menyiapkan paduan fase ganda TiNb dengan kerapatan relatif sekitar 95 persen . Dengan menguji sifat mekanik billet hijau, bagian debonding, dan bagian yang disinter, serta mengamati dan membandingkan struktur mikro bagian yang disinter dengan kandungan komposisi paduan yang berbeda, pengaruh kandungan Nb pada struktur mikro dan sifat mekanik paduan dipelajari.

Arokiasamy et al. [46] menyiapkan paduan Ti-5Fe-5Zr dengan menambahkan unsur Fe dan Zr ke bubuk titanium murni HDH, dan mengukur sifat mekanik paduan tersebut. Berdasarkan hasil pengujian, diperoleh mekanisme pori residu dan pengaruh TiC terhadap sifat material paduan.

 

Sekrup tulang Fig.7Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb disiapkan oleh MIM

3 Pandangan

Gravitasi spesifik yang rendah, kekuatan spesifik yang tinggi, biokompatibilitas yang sangat baik, ketahanan oksidasi, dan ketahanan korosi yang baik dari titanium dan paduan titanium memiliki potensi pengembangan yang besar dalam aplikasi seperti dirgantara, medis, kimia, otomotif, dan barang konsumsi sehari-hari.

Dibandingkan dengan teknik pemrosesan tradisional seperti penempaan, pengecoran, dan pemesinan, teknologi cetakan injeksi bubuk memiliki keunggulan yang jelas, seperti komposisi paduan yang seragam, tingkat pemanfaatan bahan baku yang tinggi, dan kapasitas produksi yang kuat untuk jumlah besar bagian berbentuk kompleks, yang dapat sangat mempromosikan produksi dan penerapan produk paduan titanium dan titanium.

Meskipun beberapa kemajuan telah dibuat dalam penelitian cetakan injeksi titanium dan paduan titanium, serangkaian masalah masih perlu diselesaikan dalam proses produksi industri yang sebenarnya, seperti tingginya harga bahan baku bubuk berkualitas tinggi, konversi dan aplikasi yang tidak memadai. sistem paduan titanium baru berkualitas tinggi untuk pencetakan injeksi, dan kesulitan dalam mengontrol komposisi kimia produk.

Selain itu, dengan pesatnya perkembangan teknologi mikrosistem dalam beberapa tahun terakhir, permintaan komponen mikro kompleks yang diterapkan dalam mikrosistem terus meningkat. Cetakan injeksi bubuk perlu beralih dari jenis produk tradisional ke produk mikro dan berkembang menjadi teknologi cetakan injeksi mikro bubuk.

Saat ini, teknologi micro injection moulding lebih banyak difokuskan pada sistem material seperti polimer dan stainless steel, dan masih banyak hal yang perlu dipelajari dalam micro injection molding paduan titanium dan titanium.

Oleh karena itu, pengembangan penelitian cetakan injeksi titanium dan paduan titanium harus fokus pada penelitian dan pengembangan sistem paduan titanium baru, pengembangan teknologi persiapan serbuk paduan titanium murah dan berkualitas tinggi, dan studi cetakan injeksi mikro bahan titanium cocok untuk perangkat mikro kompleks.

Dengan pendalaman penelitian tentang teknologi cetakan injeksi titanium dan paduan titanium, diyakini bahwa teknologi cetakan injeksi titanium dan paduan titanium akan membuat kemajuan yang signifikan, sehingga mendorong perkembangan pesat industri titanium.