Công nghệ ép phun bột kim loại hợp kim titan và titan

Công nghệ ép phun bột kim loại hợp kim titan và titan

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. đã đạt được sản xuất hàng loạt thông qua quá trình nghiên cứu và phát triển, đổi mới, thử nghiệm liên tục, quy trình ép phun kim loại titan và kim loại hợp kim titan vào năm 2008. Nếu có khách hàng có nhu cầu, vui lòng gửi email: doanh nghiệp- mall@zw-jm.com Hãy đưa nó cho công ty chúng tôi và các kỹ sư chuyên nghiệp sẽ trả lời bạn kịp thời trong ngày làm việc ngắn nhất,

Bản tóm tắt

Các hợp kim titan và titan đều có trọng lượng riêng thấp, độ bền riêng cao, khả năng tương thích sinh học tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn tốt, đồng thời có tiềm năng ứng dụng lớn trong các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, y sinh, hóa học và ô tô.

Công nghệ ép phun bột kim loại titan và hợp kim titan (MIM) có thể đạt được việc chuẩn bị các sản phẩm titan có hình dạng phức tạp vừa và nhỏ ở quy mô lớn và chi phí thấp, điều này có ý nghĩa rất lớn trong việc thúc đẩy sản xuất và ứng dụng các sản phẩm hợp kim titan và titan .

Bài viết này giới thiệu các đặc điểm và ưu điểm của khuôn phun bột kim loại của hợp kim titan và titan. Nó tóm tắt tiến độ nghiên cứu của công nghệ ép phun bột kim loại hợp kim titan và titan từ các khía cạnh của nguyên liệu bột, hệ thống chất kết dính, ép phun bột, gỡ lỗi và thiêu kết. Để giải quyết những vấn đề chính hiện nay, nó phân tích hướng nghiên cứu và triển vọng phát triển của khuôn ép phun bột kim loại titan và hợp kim titan.

Từ khóa titan; Hợp kim titan; ép phun; Phân loại tiến độ nghiên cứu số TF125.2; TF125.2 cộng với 2

(Ghi chú của biên tập viên: Phần giới thiệu bằng tiếng Anh đã bị lược bỏ...)

Kể từ khi phương pháp sản xuất công nghiệp thu được titan kim loại từ quặng được thành thạo vào những năm 1840, titan và hợp kim titan đã được sử dụng rộng rãi trong các cơ sở công nghiệp và thương mại. Tuy nhiên, so với thép, sản lượng hàng năm của nó vẫn còn nhỏ và do chi phí nguyên liệu cao nên phạm vi ứng dụng của nó chủ yếu giới hạn trong ngành hàng hải, công nghiệp hóa chất, công nghiệp hàng không vũ trụ, thiết bị y tế, cấy ghép, hàng xa xỉ và các ngành công nghiệp khác với yêu cầu cao về hiệu suất vật liệu.

Hiện nay, ngoài giá nguyên liệu cao, khó xử lý và hình thành hợp kim titan và titan đã hạn chế rất nhiều phạm vi ứng dụng của chúng.

Khả năng gia công của hợp kim titan và titan kém, phương pháp gia công truyền thống có thiết bị đắt tiền và hiệu quả xử lý thấp, làm tăng đáng kể chi phí xử lý; Cấu trúc của các bộ phận titan có thể gia công rất đơn giản và do những hạn chế của phương pháp xử lý, hầu hết chúng không thể đạt được các giải pháp thiết kế có thể tối đa hóa hiệu suất vật liệu.

Trong bối cảnh này, ép phun kim loại (MIM), có lợi thế về sử dụng nguyên liệu thô cao và chi phí sản xuất hàng loạt thấp, đã trở thành quy trình xử lý hợp kim titan và titan lý tưởng [1-4].

Quy trình ép phun bột kim loại thường bao gồm một số quy trình cơ bản như chuẩn bị vật liệu phun, ép phun, gỡ lỗi, thiêu kết và xử lý hậu kỳ cần thiết.

Như thể hiện trong Hình 1, bột kim loại và các thành phần chất kết dính hữu cơ trước tiên được trộn, trộn và tạo hạt để chuẩn bị vật liệu tiêm. Sau đó, vật liệu phun được bơm vào khuôn ở nhiệt độ và áp suất nhất định, được làm mát và tháo khuôn để thu được sản phẩm xanh có hình dạng cụ thể. Sau đó, thông qua quy trình loại bỏ liên kết, tất cả các thành phần hữu cơ ngoại trừ bột kim loại được loại bỏ khỏi sản phẩm xanh, tạo thành sản phẩm xanh loại bỏ liên kết. Cuối cùng, quá trình thiêu kết được thực hiện để thu được hiệu suất mong muốn của sản phẩm.

Công nghệ ép phun bột kim loại đã đạt được sự kết hợp hữu cơ giữa công nghệ ép phun và luyện kim bột truyền thống, khắc phục nhược điểm về chi phí gia công cao, hình dạng đơn giản của quy trình đúc truyền thống, hiệu quả sản xuất thấp của quy trình ép phun và ép đẳng tĩnh, nhiều khuyết điểm trong quy trình truyền thống. quá trình đúc, và độ chính xác khoan dung thấp. Nó đã thúc đẩy mạnh mẽ việc sản xuất và ứng dụng các sản phẩm hợp kim titan và titan (như trong Hình 2).

1 Lưu đồ titan và hợp kim titan do MIM sản xuất

 

2 Ứng dụng của titan và hợp kim titan do MIM sản xuất

 

Tình hình nghiên cứu về khuôn phun bột kim loại titan và hợp kim titan

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các tính chất cơ học, khả năng chống ăn mòn và đặc tính y sinh của các sản phẩm đúc phun hợp kim titan và titan bị ảnh hưởng rất nhiều bởi bốn khía cạnh: mật độ tương đối, hàm lượng tạp chất, các nguyên tố hợp kim và cấu trúc vi mô.

Sau khi sản phẩm ép phun được thiêu kết, mật độ tương đối của nó là khoảng 95% và sẽ có một tỷ lệ lỗ chân lông còn sót lại nhất định.

Các lỗ rỗng còn sót lại này sẽ trở thành nguồn vết nứt khi mẫu bị vỡ và có tác động lớn hơn đến độ bền kéo, độ dẻo, độ bền đứt gãy, độ bền mỏi và các tính chất cơ học khác của vật liệu. Do đó, mật độ tương đối của các sản phẩm đúc hợp kim titan và hợp kim titan càng cao thì tính chất cơ học của chúng càng tốt.

Các nguyên tố tạp chất như oxy, carbon, nitơ, hydro, v.v., đặc biệt là oxy, có thể làm tăng cường độ năng suất, độ bền kéo và độ cứng của vật liệu, làm giảm độ dẻo. Ở nhiệt độ thiêu kết, các nguyên tố tạp chất hòa tan trong ma trận titan. Do thiếu chất khử hiệu quả, rất khó kiểm soát các nguyên tố tạp chất trong titan và hợp kim titan trong quá trình thiêu kết. Điều này đòi hỏi phải giảm thiểu lượng oxy được thêm vào nguyên liệu thô và mỗi bước quy trình tiếp theo.

Cấu trúc vi mô của titan và hợp kim titan, bao gồm kích thước hạt và thành phần pha sau khi thiêu kết, có thể ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật liệu. Nhìn chung, vật liệu hợp kim titan và titan đúc với hiệu suất tuyệt vời có mật độ cao, hàm lượng tạp chất thấp (thường là hàm lượng oxy), thành phần hợp kim thích hợp, kích thước hạt mịn trong quá trình cô đặc và ít khuyết tật hơn [5].

1.1 Nguyên liệu bột

Việc lựa chọn nguyên liệu bột là một bước quan trọng trong quy trình ép phun bột titan. Sự phân bố kích thước hạt và hình thái của bột ảnh hưởng trực tiếp đến tính lưu động và khả năng định dạng của hợp chất ép phun, khả năng giữ hình dạng của phần thân màu xanh lục trong quá trình gỡ liên kết và tốc độ co rút trong quá trình thiêu kết.

Các phương pháp thường được sử dụng để điều chế bột titan và hợp kim titan bao gồm phương pháp cơ học và phương pháp nguyên tử hóa.

Hình dạng của bột thu được bằng các phương pháp cơ học như nghiền bi, nghiền bi khuấy, nghiền bi rung năng lượng cao và nghiền thành bột luồng không khí thường không đều hoặc có góc cạnh.

Quá trình khử hydro hóa (HDH) sử dụng các đặc tính giòn rõ ràng của titan sau khi hấp thụ hydro. Nó được nghiền bằng cách nghiền cơ học hoặc nghiền bằng luồng không khí, sau đó được khử hydro để thu được bột titan có hình dạng không đều, như trong Hình 3 (a). Phương pháp nguyên tử hóa (chẳng hạn như nguyên tử hóa khí trơ, nguyên tử hóa điện cực quay chùm tia plasma và nguyên tử hóa khí nóng chảy cảm ứng điện cực) có thể được thực hiện trong môi trường hoàn toàn trơ, để duy trì độ tinh khiết cao của bột thô. Bột đã chuẩn bị có dạng hình cầu và có sự phân bố kích thước hạt khá rộng, với hiệu suất xếp chồng tốt, như trong Hình 3 (b).

Ngoài ra, khác với công nghệ sản xuất bột thép, việc sản xuất bột titan mịn khó khăn hơn. Khi kích thước hạt giảm, diện tích bề mặt riêng tăng và hàm lượng các nguyên tố tạp chất cũng tăng.

Thông thường, MIM sử dụng bột titan có kích thước hạt nhỏ hơn 45 μm. Khi các hạt bột quá lớn, quá trình phun dễ bị tách chất kết dính bột và hình thành các khuyết tật. Cần xem xét đầy đủ việc thiết kế thành phần vật liệu phun và thiết kế khuôn [5].

Hình 3 HDH (a) và bột titan nguyên tử hóa khí (b) được sử dụng trong MIM

1.2 Chất kết dính

Chất kết dính là chất mang tồn tại theo từng giai đoạn trong toàn bộ quá trình ép phun và chức năng chính của nó là đổ đầy khuôn bằng bột ở trạng thái lỏng, tạo thành hình dạng mong muốn và duy trì hình dạng đó cho đến giai đoạn thiêu kết trước.

Trong quá trình ép phun, chất kết dính phải có các đặc điểm sau: điểm nóng chảy thấp, khả năng thấm ướt tốt đối với các hạt bột và đông đặc nhanh, thuận tiện cho việc chuẩn bị vật liệu phun; Có tính lưu động tốt ở nhiệt độ phun; Sau khi hình thành, nó có thể dễ dàng được loại bỏ khỏi phôi, với ít vật liệu còn sót lại và các sản phẩm phân hủy không độc hại và không ăn mòn.

Nói chung, các thành phần chất kết dính ít nhất bao gồm thành phần chính và thành phần phụ:

Thành phần chính được sử dụng để làm ướt các hạt bột kim loại và cung cấp khả năng chảy cần thiết, trong khi thành phần phụ đảm bảo rằng phần thân màu xanh lá cây được tiêm vẫn có đủ độ bền trong quá trình tiêm và sau khi loại bỏ thành phần chính của chất kết dính.

Trong hầu hết các trường hợp, hệ thống chất kết dính có thành phần thứ ba, chẳng hạn như chất hoạt động bề mặt, để cải thiện khả năng tương thích giữa bột kim loại và polyme.

Theo các thành phần chính khác nhau trong các thành phần chất kết dính, các hệ thống chất kết dính thường được sử dụng có thể được chia thành các hệ thống dựa trên sáp, hệ thống dựa trên hợp chất thơm, hệ thống polyoxymethylene và hệ thống dựa trên nước.

1.2.1 Chất kết dính gốc sáp

Các loại sáp thường được sử dụng cho chất kết dính hệ thống dựa trên sáp bao gồm một số polyme chuỗi ngắn như parafin, sáp ong, sáp cọ, v.v. Chúng có điểm nóng chảy thấp, độ thấm ướt tốt, chuỗi phân tử ngắn, độ nhớt thấp và thay đổi thể tích nhỏ hơn trong quá trình phân hủy so với các loại khác polyme, có lợi cho việc đảm bảo độ chính xác về kích thước của sản phẩm.

Các thành phần thứ cấp thường được sử dụng của các hệ thống dựa trên sáp bao gồm polypropylen, polyetylen, chất đồng trùng hợp etylen vinyl axetat và polymetyl metacryit trọng lượng phân tử cao. Ngoài sáp và chất kết dính khung, chất hoạt động bề mặt như axit stearic thường được thêm vào để cải thiện khả năng tương thích giữa bột và polymer.

Hệ thống chất kết dính dựa trên sáp được báo cáo sớm nhất trong tài liệu là Kaneko et al. [6], đã sử dụng chất đồng trùng hợp paraffin polybutyl methacrylate ethylene vinyl axetat dibutyl phthalate làm chất kết dính và bột titan để chuẩn bị vật liệu tiêm nhận xét. Tải trọng bột là 56 phần trăm và sau khi loại bỏ liên kết, nó được thiêu kết ở 1300 độ C và 1,3 Pa. Mẫu thiêu kết thu được có mật độ tương đối là 94 phần trăm và cường độ nén là 1000 MPa, nhưng do hàm lượng tạp chất cao nên nó hầu như không có độ dẻo.

Kato et al. [7] đã nghiên cứu quy trình gỡ liên kết hai bước kết hợp gỡ liên kết chân không và gỡ liên kết trong khí quyển argon, giúp giảm đáng kể hàm lượng carbon và oxy trong các bộ phận thiêu kết.

Quách và cộng sự. [8-9] đã sử dụng polyetylen glycol có khả năng thấm ướt tốt hơn để thay thế một số parafin và phát triển hệ thống chất kết dính axit stearic polyetylen polypropylen parafin, được sử dụng trong ép phun hợp kim vanadi titan và nhôm titan nguyên chất. Các bộ phận thiêu kết có khả năng giữ hình dạng tốt và chuyển động sóng nhỏ. Do giảm hàm lượng oxy và carbon, hiệu suất được cải thiện rất nhiều, dẫn đến hiệu suất tốt.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã sử dụng sáp cọ như một chất thay thế một phần cho sáp parafin [10-13] và dầu cọ như một chất thay thế hoàn toàn cho sáp parafin [14] cho một hệ thống chất kết dính dựa trên sáp, có tác dụng tạo hình tốt. Tuy nhiên, do bản thân nguyên tố oxy chứa trong sáp cọ cũng là một nguồn tăng cường oxy,

Hiện tại, hệ thống chất kết dính dựa trên sáp tối ưu được báo cáo trong tài liệu đã được đề xuất bởi Friederici et al. [15]. Trong quá trình thử nghiệm, bốn tỷ lệ chất kết dính đã được hình thành bằng cách điều chỉnh tỷ lệ parafin, polyetylen mật độ thấp và axit stearic, đồng thời các vật liệu phun khác nhau được hình thành, loại bỏ liên kết và thiêu kết dựa trên các tỷ lệ này. Đã thu được một mẫu có mật độ tương đối là 98,1 phần trăm và thành phần hóa học đáp ứng các yêu cầu của titan nguyên chất thứ cấp.

Các hệ thống chất kết dính dựa trên sáp đóng một vai trò quan trọng trong quá trình ép phun, nhưng do hiệu quả khử liên kết dung môi bằng dung môi hữu cơ thấp, các nhà nghiên cứu đã liên tục đổi mới và phát triển các hệ thống chất kết dính mới.

1.2.2 Chất kết dính gốc hợp chất thơm

Các hợp chất thơm (chẳng hạn như naphtalen, antraxen, v.v.) có thể hòa tan ở nhiệt độ rất thấp và trong điều kiện áp suất thấp, chúng có thể trực tiếp chuyển từ thể rắn sang thể khí thông qua quá trình thăng hoa ở nhiệt độ dưới điểm nóng chảy của chúng. Sử dụng các hợp chất thơm làm thành phần chất kết dính có thể cải thiện đáng kể hiệu quả của quá trình loại bỏ liên kết.

Weil et al. [16-18] đã sử dụng các hợp chất thơm trong đúc phun bột kim loại titan. Trong nghiên cứu của mình, các hợp kim vanadi nhôm titan đậm đặc và hợp kim vanadi nhôm titan xốp được điều chế bằng cách sử dụng naphtalen, 1% khối lượng axit stearic và 3% đến 12% khối lượng chất đồng trùng hợp etylen axetat làm chất kết dính.

Trong quá trình thí nghiệm, do sự thăng hoa trực tiếp của naphtalen thành khí nên không xuất hiện pha lỏng trong quá trình khử liên kết và thể tích mẫu không thay đổi. Không giống như tẩy dầu mỡ bằng dung môi, năng lượng bề mặt liên quan đến phương pháp thăng hoa tương đối thấp, điều đó có nghĩa là có thể tránh được các khuyết tật tẩy dầu mỡ thông thường như biến dạng và nứt. Cuối cùng, mật độ tương đối của mẫu thiêu kết là 96,6 phần trăm và hàm lượng carbon không tăng.

Mặc dù hệ thống chất kết dính đã đạt được hiệu suất sản phẩm tuyệt vời, nhưng các hợp chất thơm trong hệ thống vẫn có tác động đến môi trường và sức khỏe thể chất và chưa được nghiên cứu thêm hoặc ứng dụng trên quy mô lớn.

1.2.3 Chất kết dính gốc polyoxymetylen

Polyformaldehyde lần đầu tiên được sử dụng trong hệ thống chất kết dính bởi Celanese Corp vào năm 1984, và sau đó được phát triển bởi BASF, giúp cho các thành phần chất kết dính không chứa sáp hoặc các thành phần trọng lượng phân tử nhỏ có thể [19].

Polyformaldehyde là thành phần chính của hệ thống chất kết dính này và polyetylen (PE) dần dần được thêm vào làm chất kết dính khung trong quá trình phát triển sau này.

Hiện tại, BASF đã tạo ra các vật liệu ép phun dựa trên hệ thống chất kết dính này, bao gồm nhiều vật liệu như thép hợp kim thấp, thép không gỉ, thép công cụ, titan và hợp kim titan, và gốm sứ.

Đặc tính quan trọng của polyformaldehyde là độ nhạy của nó với các thuốc thử có tính axit và tính nhạy cảm với sự phân hủy axit. Do đó, thể xanh có thể được xử lý trong môi trường axit dưới nhiệt độ làm mềm của nó. Quá trình polyoxymethylene ở trạng thái rắn, tránh các khuyết tật như nứt và giãn nở do đun sôi các thành phần chất kết dính. Hơn nữa, độ biến dạng nhỏ, khả năng giữ hình dạng tốt và kiểm soát kích thước chính xác.

Ngoài ra, do tốc độ khuếch tán cao, so với các phương pháp tẩy dầu mỡ khác, tốc độ tẩy dầu mỡ cao hơn, đạt gấp 10 lần tốc độ khử liên kết dung môi truyền thống, đồng thời cho phép loại bỏ liên kết có kích thước dày hơn [20].

Mặc dù hệ thống chất kết dính dựa trên polyoxymethylene có nhiều ưu điểm đã đề cập ở trên, nhưng nó cũng có nhiều nhược điểm.

Quá trình khử liên kết xúc tác thường sử dụng hơi axit nitric có tính ăn mòn cao làm chất xúc tác. Một mặt, polyformaldehyde có thể bị phân hủy trong quá trình chuẩn bị vật liệu phun và giai đoạn ép phun, tạo ra formaldehyde có độc tính cao. Hơn nữa, các sản phẩm phân hủy cần phải được loại bỏ thông qua quá trình đốt cháy hai bước. Mặt khác, môi trường axit đóng vai trò xúc tác có tính ăn mòn thiết bị lớn hơn, cần đầu tư nhiều hơn.

1.2.4 Chất kết dính gốc nước

Các dung môi khử liên kết (chẳng hạn như heptan và hexan) hoặc các sản phẩm phân hủy của các thành phần chất liên kết (monome hợp chất thơm và formaldehyde) được sử dụng trong một số hệ thống chất liên kết nói trên ít nhiều có hại cho môi trường và người vận hành. Do đó, việc phát triển và sử dụng các hệ thống tác nhân liên kết dung môi thân thiện với môi trường có ý nghĩa rất lớn.

Hệ thống chất kết dính thân thiện với môi trường hiện tại sử dụng nước làm dung môi khử liên kết.

Theo các vai trò khác nhau của nước trong việc chuẩn bị vật liệu tiêm, loại hệ thống chất kết dính này có thể được chia thành dựa trên gel và không dựa trên gel.

Polyme phổ biến được sử dụng trong các hệ thống không chứa gel là polyetylen glycol, có hiệu suất tốt, rẻ và dễ kiếm. Polyethylene glycol trọng lượng phân tử thấp có thể được loại bỏ nhanh chóng và gần như hoàn toàn ở 60 độ C, với phạm vi trọng lượng phân tử thường được sử dụng là khoảng 500-2000. Chất kết dính khung thường được sử dụng là polymethyl methacrylate với trọng lượng phân tử là 10000.

Sidambe và cộng sự. [21] đã sử dụng thành phần chất kết dính hòa tan trong nước của axit stearic polyetylen glycol polymetyl metacryit để nghiên cứu với tỷ lệ nạp bột là 69 phần trăm .

Trong thí nghiệm, polyetylen glycol đã được loại bỏ hoàn toàn trong nước ở 55 độ C sau 5 giờ và polymethyl methacrylate đã được loại bỏ hoàn toàn trong dòng khí argon khử liên kết nóng ở 440 độ C. Hàm lượng oxy cuối cùng (phần khối lượng) của mẫu đã chuẩn bị là 0,2 phần trăm , với độ bền kéo tương ứng là 850-880 MPa và độ giãn dài là 8,5 phần trăm -16 phần trăm , đáp ứng tiêu chuẩn Ti loại 5 của ASTM.

Hầu hết các chất kết dính dựa trên gel là các chất tự nhiên, chẳng hạn như cellulose, tinh bột agar, v.v.

Tokura và cộng sự. [22] đã sử dụng agar để thay thế chất kết dính polymer trong khuôn ép phun bột titan và nghiên cứu tính ổn định nhiệt, độ hòa tan và độ nhớt vật liệu phun của hệ thống chất kết dính này.

Suzuki [24] và cộng sự. đã chuẩn bị 97,3 phần trăm mẫu với mật độ tương đối bằng cách sử dụng chất kết dính agar (trọng lượng phân tử 82 500) chứa 4 phần trăm khối lượng. Phần trăm khối lượng cacbon và oxy của các mẫu lần lượt là 0.33 phần trăm và 0.3 phần trăm . Cường độ năng suất là 539 MPa và độ giãn dài khoảng 10 phần trăm . Kết quả thực nghiệm cho thấy khi sử dụng thạch cao phân tử thì độ bền gel tăng nhưng hàm lượng cacbon và oxy dư cao dẫn đến mật độ thiêu kết, độ bền kéo và độ giãn dài của các mảnh thiêu kết thấp hơn.

Chất kết dính gốc nước không gel dễ kiểm soát, thiết bị tẩy dầu mỡ rẻ hơn so với các phương pháp tẩy dầu mỡ khác, và chất kết dính có thể phân hủy sinh học và không độc hại đối với vi sinh vật, nhưng việc xử lý nước thải để tẩy dầu mỡ cần thêm chi phí.

Rất khó để kiểm soát kích thước của các bộ phận cuối cùng được sản xuất bởi hợp chất ép phun hệ thống chất kết dính dựa trên gel và thành phần không đủ ổn định, do đó, các điều kiện quy trình và kiểm soát chất lượng rất khó khăn, vẫn cần nghiên cứu và tối ưu hóa thêm.

1.3 Ép phun, gỡ liên kết và thiêu kết

Các thông số của quá trình ép phun được xác định bởi hiệu suất của vật liệu phun và hình dạng hình học của sản phẩm mục tiêu.

Như đã đề cập trước đó, kích thước hạt của bột titan thường thô, dễ bị tách chất kết dính bột so với ép phun vật liệu thép không gỉ. Trước khi ép phun, các thông số quy trình tạo hình thích hợp nên được phát triển dựa trên các đặc tính lưu biến của vật liệu phun để giảm các khuyết tật trong phôi được tạo thành.

Vương và cộng sự. [25] chuẩn bị vật liệu ép phun bằng cách sử dụng hợp kim Ti-6Al-4V kết hợp với hệ thống chất kết dính gốc sáp bột, đồng thời thử nghiệm và phân tích các đặc tính lưu biến của vật liệu phun dưới các lượng và nhiệt độ nạp bột khác nhau, cung cấp cơ sở để phát triển các thông số tạo hình thích hợp cho quá trình ép phun.

Công viên và cộng sự. các vật liệu tiêm đã chuẩn bị bằng cách sử dụng bột titan khí dung, bột titan HDH và bột titan HDH hình cầu, đồng thời đo các đặc tính lưu biến và hành vi loại bỏ liên kết của chúng. Họ đã đề xuất một chỉ số định dạng cho vật liệu phun và đánh giá hiệu suất của nó dựa trên chỉ số này. Kết quả phân tích đã cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc sử dụng đồng thời bột HDH và bột khí dung trong hệ thống nguyên liệu phun.

Rào chắn và cộng sự. [27] đã khám phá các thông số quy trình tối ưu để sản xuất các bộ phận đúc phun kim loại không có khuyết tật và với các tính chất cơ học cần thiết dựa trên các quy trình mô phỏng số và thử nghiệm. Dựa trên các kỹ thuật lập mô hình, phương trình dòng chảy hai pha và thuật toán rõ ràng mới được phát triển đã được sử dụng để dự đoán hiện tượng phân tách vật liệu trong quá trình bơm bằng cách sử dụng mô phỏng số.

Chen và cộng sự. [28] đã sử dụng bột tiền hợp kim Ti-6Al-4V và chất kết dính hòa tan trong nước được hydro hóa để chuẩn bị vật liệu tiêm nhận xét, sau đó đo tốc độ loại bỏ của thành phần chất kết dính hòa tan trong nước là polyetylen glycol trong các mẫu có độ dày khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau. Một mô hình toán học gỡ liên kết có kiểm soát khuếch tán đã được thiết lập để xác định cơ chế gỡ liên kết của hệ thống chất kết dính.

Sidambe [29] và những người khác đã sử dụng phương pháp Taguchi để xác định sự kết hợp tối ưu giữa nhiệt độ thiêu kết, thời gian, tốc độ gia nhiệt, khí quyển và các thông số khác.

Cũng không và cộng sự. [30] điều chế vật liệu phun Ti–6Al–4V bằng cách sử dụng hệ thống chất kết dính palm stearate và polyetylen, đồng thời xây dựng quy trình sản xuất tối ưu bằng phương pháp Taguchi. Cuối cùng, một mẫu có cường độ chảy 934,4 MPa và độ giãn dài 10 phần trăm đã thu được và hiệu suất tổng thể của nó đáp ứng các yêu cầu của hợp kim titan y tế348-02 theo tiêu chuẩn ASTM B.

Obasi et al. [31] đã chuẩn bị các mẫu vật Ti-6Al-4V với các đặc tính đáp ứng yêu cầu của ASTM B348-02 hợp kim titan cấp 23 và nghiên cứu tác động của những thay đổi trong hệ thống thông số quy trình cơ bản đối với nhiệt quá trình tẩy nhờn và thiêu kết các thành phần MIM dạng bột Ti-6Al-4V.

Limberg và cộng sự. [32] điều chế Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C bằng cách sử dụng hỗn hợp bột nguyên tố trong quá trình ép phun và nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian thiêu kết và khí quyển lên các đặc tính kéo và vi cấu trúc. Đã thu được một mẫu có độ bền kéo khoảng 630 MPa.

Quách và cộng sự. [8-9] đã chuẩn bị vật liệu titan và Ti-6Al-4V nguyên chất bằng công nghệ ép phun và nghiên cứu tác động của các quy trình xử lý nhiệt như ép và ủ đẳng tĩnh nóng đối với các đặc tính của chất liệu hợp kim. Hiệu quả xử lý nhiệt được đặc trưng định tính và định lượng thông qua kiểm tra cấu trúc vi mô và tính chất cơ học, và cấu trúc vi mô của nó được thể hiện trong Hình 4.

Một vật liệu tiêm đáng chú ý được điều chế bằng cách trộn bột titan nguyên tử hóa, bột titan khử hydro hóa và hệ thống chất kết dính gốc sáp. Sau khi ép phun, quá trình khử liên kết dung môi được thực hiện trong hỗn hợp heptan và etanol. Chất kết dính được loại bỏ hoàn toàn sau khi gia nhiệt đến 350, 420 và 600 độ C ở một tốc độ gia nhiệt nhất định và nhiệt độ thiêu kết là 1230 độ C trong 3 giờ. Cuối cùng, đặc tính độ bền kéo của mẫu thiêu kết là 389-419 MPa và độ giãn dài là 2-4 phần trăm .

Các thành viên trong nhóm nghiên cứu của chúng tôi [33] đã chuẩn bị các mẫu titan tinh khiết bằng cách sử dụng hệ thống bột titan khí dung và chất kết dính hòa tan trong nước, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết và thời gian giữ đối với tính chất của các mẫu titan tinh khiết. Quá trình thiêu kết được thực hiện trong điều kiện chân không ở mức 10-4-10-3 Pa, với nhiệt độ thiêu kết là 1350 độ C và độ giãn dài 20,3 phần trăm thu được sau khi giữ trong 3 giờ. Các mẫu hoàn toàn tuân thủ hiệu suất luyện kim bột tốt nhất của ASTM F2989-13, với mật độ tương đối là 96,9 phần trăm và độ bền kéo là 443 MPa, Tiêu chuẩn Titan Nguyên chất Cấp II Y sinh.

4 Vi cấu trúc của các mẫu Ti (a) và Ti-6Al-4V (b) được điều chế bằng nguyên liệu gốc sáp

2 Vật liệu ép phun hợp kim titan và titan mới

Titan và hợp kim titan hiện đang được sử dụng rộng rãi trong chỉnh hình, thiết bị nha khoa và cấy ghép y tế. Tuy nhiên, do sự khác biệt về tính chất cơ học giữa titan và xương người (với mô đun đàn hồi khoảng 20 GPa), hiệu ứng che chắn ứng suất được tạo ra ở giao diện xương/cấy ghép, điều này có thể ảnh hưởng lớn đến kết quả lâm sàng lâu dài, như thể hiện trong Hình 5.

Do đó, các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh tính chất cơ học của vật liệu titan bằng cách thay đổi cấu trúc và thành phần hợp kim của chúng, khiến chúng gần giống với cấu trúc và hiệu suất của xương tự nhiên trong cơ thể con người.

5 So sánh mô đun đàn hồi của hợp kim titan y sinh

2.1 Vật liệu titan xốp và composite gốm titan

Vật liệu titan xốp và vật liệu hệ thống hợp kim titan mới có cấu trúc lỗ rỗng và tính chất cơ học thích hợp, khiến chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho cấy ghép thay thế chỉnh hình.

Một mặt, nó có thể làm giảm hiệu quả sự không phù hợp ứng suất giữa mô cấy và mô xương, do đó làm giảm hiệu ứng che chắn ứng suất và đạt được chức năng hiệu quả và lâu dài của mô cấy; Mặt khác, cấu trúc xốp là điều kiện cần thiết để tế bào xương phát triển thành cơ thể cấy ghép, cấu trúc xốp liên kết với nhau có thể cho một lượng lớn dịch cơ thể đi qua, càng thúc đẩy tế bào xương phát triển.

Gu et al. đã tạo thành một loại hợp kim TC4 mới có cấu trúc lỗ rỗng bằng cách thêm TiH2 làm chất tạo bọt và chất kích hoạt vào bột nguyên tố titan nhôm vanadi, với sự phân bố kích thước lỗ rỗng đồng đều và kích thước lỗ rỗng nằm trong khoảng từ 90 đến 190 μm. Độ xốp khoảng 43 phần trăm ~ 59 phần trăm và mô đun đàn hồi nằm trong khoảng từ 5,8 đến 9,5 GPa. Động cơ et al. [35] đã điều chế các hợp kim titan đa vi xốp bằng công nghệ ép phun bột (PIM) kết hợp với công nghệ chất tạo lỗ rỗng, và nghiên cứu ảnh hưởng của lượng chất tạo lỗ xốp polymethyl methacrylate đến mật độ, cường độ nén và mô đun đàn hồi của hợp kim.

Tuncer et al. [36] đã sử dụng một hệ thống bột hình cầu nguyên tử, bột titan HDH và chất kết dính gốc sáp để nghiên cứu ảnh hưởng của bột ban đầu đến hiệu suất của sản phẩm titan xốp cuối cùng bằng cách thêm một lượng NaCl và KCl nhất định làm chất tạo lỗ xốp. Hơn nữa, bằng cách điều chỉnh lượng chất tạo lỗ rỗng, vật liệu titan xốp có độ xốp và kích thước lỗ cần thiết cho cấy ghép y tế đã được tạo ra, đồng thời thành phần hóa học của vật liệu có thể đáp ứng tiêu chuẩn titan nguyên chất cấp ba.

Chen và cộng sự. [37] đã sử dụng NaCl làm chất tạo lỗ xốp và vật liệu tiêm dựa trên sáp bột titan khử hydro hydro hóa để chuẩn bị các mẫu đúc phun. Các mẫu thu được có độ xốp là 42,4 phần trăm ~ 71,6 phần trăm và kích thước lỗ là 300 μ m. Như thể hiện trong Hình 6. Bằng cách điều chỉnh lượng NaCl được sử dụng, các lỗ xốp liên kết với nhau có thể được hình thành bên trong bộ phận tiêm và tính chất cơ học của chúng tương tự như của xương hủy.

Barbosa và cộng sự. [38] lần đầu tiên sử dụng bột Fe22Cr để kiểm tra tính chất lưu biến của vật liệu phun với các hệ thống chất kết dính khác nhau. Dựa trên kết quả kiểm tra hiệu suất, một hệ thống chất kết dính dựa trên sáp thích hợp đã được chọn. Sau đó, bột Ti và chất tạo lỗ xốp NaCl được kết hợp để ép nhiệt và ép phun đa thành phần. Sau khi tẩy dầu mỡ và thiêu kết, một thành phần cấy ghép cột sống với lõi dày đặc và gradient độ xốp bên ngoài đã được chuẩn bị.

6 Thành phần ép phun titan xốp sử dụng NaCl làm giá đỡ khoảng trống

Hydroxyapatite (HA), với thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể giống như mô xương tự nhiên của con người, có những ưu điểm độc đáo trong việc thay thế xương và tái tạo xương, đồng thời bắt đầu đóng vai trò ngày càng quan trọng trong các thiết bị y sinh.

Tuy nhiên, do độ giòn cao và tính chất cơ học kém, HA không thể được sử dụng đơn lẻ làm thành phần chịu lực, dẫn đến sự ra đời của một loại vật liệu y sinh mới bao gồm HA và vật liệu titan.

Thian et al. [39-42] đã nghiên cứu điều chế vật liệu composite Ti6Al4V/HA bằng phương pháp ép phun. Đầu tiên, bột composite Ti6Al4V/HA được điều chế bằng phương pháp bùn gốm. Sau đó, bột đã chuẩn bị được trộn với chất kết dính thương mại PAN-250S để chuẩn bị vật liệu tiêm nhận xét. Các đặc tính lưu biến của vật liệu phun đã được thử nghiệm, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt và tốc độ dòng khí khí quyển khử liên kết đối với các khuyết tật khử liên kết, lượng loại bỏ chất kết dính và hàm lượng carbon còn lại trong quá trình khử liên kết; Ảnh hưởng của các thông số quy trình thiêu kết (tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ thiêu kết, thời gian giữ, tốc độ làm nguội, v.v.) đối với hiệu suất của mẫu cuối cùng, dẫn đến độ xốp của mẫu khoảng 50 phần trăm; Ngoài ra, quá trình phân hủy sinh học của vật liệu Ti6Al4V/HA điều chế được trong môi trường thể dịch được phân tích và đặc trưng hóa thông qua kết quả thử nghiệm cơ tính.

2.2 Vật liệu hợp kim titan mới

Lĩnh vực y sinh, với tư cách là một nhánh quan trọng của ứng dụng vật liệu titan, hướng nhu cầu ứng dụng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến xu hướng phát triển của vật liệu titan.

Các vật liệu titan ban đầu sử dụng titan nguyên chất（Chủ yếu bao gồm các pha, nhưng vật liệu titan nguyên chất có độ bền thấp hơn và khả năng chống mài mòn kém, dẫn đến sự phát triển của các vật liệu có độ bền cao và độ bền cao được đại diện bởi Ti6Al4V, Ti6Al7Nb và Ti5Al2.5Fe cộng với hợp kim Loại A .

Aust et al. [43] đã sản xuất thành công vật liệu vít xương với hiệu suất tuyệt vời bằng cách sử dụng bột Ti6Al7Nb và hệ thống chất kết dính gốc sáp (parafin cộng với PE cộng với axit stearic), như trong Hình 7. Vật liệu này có mật độ tương đối là 97,6 phần trăm, độ bền kéo 815 MPa , cường độ chảy 714 MPa và độ giãn dài 8,7 phần trăm .

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng các nguyên tố hợp kim như Al và V trong hợp kim titan nhôm vanadi và hợp kim niobi nhôm titan được sử dụng rộng rãi giải phóng các ion Al và V gây độc tế bào sau khi cấy ghép vào cơ thể người, gây hại cho cơ thể con người.

Do đó, các nhà nghiên cứu đã tiến hành một loạt thí nghiệm thế hệ mới chứa các nguyên tố an toàn sinh học như Nb, Ta, Zr, Mo, Sn, nhưng không chứa các nguyên tố Al và V để phát triển hệ thống hợp kim titan.

Các hợp kim titan sinh học được nghiên cứu và phát triển hiện nay chủ yếu bao gồm Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr và Ti{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Do những hạn chế khác nhau như công nghệ sản xuất bột, các hệ thống hợp kim này không được sử dụng rộng rãi trong các quy trình ép phun bột.

Triệu và cộng sự. [45] đã sử dụng bột titan và bột niobi cho các thí nghiệm ép phun để điều chế thành công hợp kim hai pha TiNb với mật độ tương đối khoảng 95 phần trăm . Bằng cách kiểm tra các tính chất cơ học của phôi xanh, các bộ phận gỡ liên kết và các bộ phận thiêu kết, cũng như quan sát và so sánh cấu trúc tế vi của các bộ phận thiêu kết với các thành phần hợp kim khác nhau, tác động của hàm lượng Nb đến cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của hợp kim đã được nghiên cứu.

Arokiasamy và cộng sự. [46] đã điều chế hợp kim Ti-5Fe-5Zr bằng cách thêm các nguyên tố Fe và Zr vào bột titan nguyên chất HDH và đo tính chất cơ học của hợp kim. Dựa vào kết quả thí nghiệm đã thu được cơ chế tạo lỗ rỗng dư và ảnh hưởng của TiC đến tính chất của vật liệu hợp kim.

 

Fig.7Ti6Al7Nb Vít xương 骨钉Ti6Al7Nb do MIM chế tạo

3 triển vọng

Trọng lượng riêng thấp, cường độ riêng cao, khả năng tương thích sinh học tuyệt vời, khả năng chống oxy hóa và khả năng chống ăn mòn tốt của titan và hợp kim titan có tiềm năng phát triển lớn trong các ứng dụng như hàng không vũ trụ, y tế, hóa chất, ô tô và hàng tiêu dùng hàng ngày.

So với các kỹ thuật xử lý truyền thống như rèn, đúc và gia công, công nghệ ép phun bột có những ưu điểm rõ ràng, chẳng hạn như thành phần hợp kim đồng nhất, tỷ lệ sử dụng nguyên liệu thô cao và năng lực sản xuất mạnh mẽ đối với số lượng lớn các bộ phận có hình dạng phức tạp, có thể thúc đẩy rất nhiều việc sản xuất và ứng dụng titan và các sản phẩm hợp kim titan.

Mặc dù nghiên cứu về ép phun titan và hợp kim titan đã đạt được một số tiến bộ, nhưng trong quá trình sản xuất công nghiệp thực tế vẫn còn một loạt vấn đề cần giải quyết, chẳng hạn như giá nguyên liệu bột chất lượng cao, chuyển đổi và ứng dụng không đủ của các hệ thống hợp kim titan chất lượng cao mới để ép phun và khó kiểm soát thành phần hóa học của sản phẩm.

Ngoài ra, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ hệ thống vi mô trong những năm gần đây, nhu cầu về các thành phần phức tạp vi mô được áp dụng trong các hệ thống vi mô tiếp tục tăng. Ép phun bột cần chuyển từ các loại sản phẩm truyền thống sang các sản phẩm siêu nhỏ và phát triển thành công nghệ ép phun bột siêu nhỏ.

Hiện tại, công nghệ ép phun vi mô chủ yếu tập trung vào các hệ thống vật liệu như polyme và thép không gỉ, và vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu trong ép phun vi mô titan và hợp kim titan.

Do đó, sự phát triển của nghiên cứu ép phun hợp kim titan và titan nên tập trung vào nghiên cứu và phát triển các hệ thống hợp kim titan mới, phát triển công nghệ chuẩn bị bột hợp kim titan chất lượng cao và chi phí thấp, và nghiên cứu về vi ép phun vật liệu titan thích hợp cho các thiết bị phức tạp vi mô.

Với việc nghiên cứu sâu hơn về công nghệ ép phun titan và hợp kim titan, người ta tin rằng công nghệ ép phun titan và hợp kim titan sẽ đạt được những tiến bộ đáng kể, từ đó thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp titan.