تقدم البحث في تكنولوجيا صب حقن مسحوق معدن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم

تقدم البحث في تكنولوجيا صب حقن مسحوق معدن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم

-- المصدر: CNKI ، من تنظيم: Zhongwei Precision Editor --

إجمالي النص 16900 كلمة ، ومدة القراءة: 45 دقيقة

ملخص

سبائك التيتانيوم والتيتانيوم لها جاذبية نوعية منخفضة ، وقوة محددة عالية ، وتوافق حيوي ممتاز ومقاومة جيدة للتآكل ، ولديها إمكانات تطبيق كبيرة في مجالات الطيران والطب الحيوي والكيميائي والسيارات وغيرها من المجالات.

يمكن لتقنية قولبة حقن المعادن (MIM) من مسحوق معدن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم أن تحقق التحضير الشامل والتكلفة المنخفضة لمنتجات التيتانيوم الصغيرة والمتوسطة الحجم ذات الأشكال المعقدة ، وهو أمر ذو أهمية كبيرة لتعزيز إنتاج وتطبيق التيتانيوم والتيتانيوم منتجات سبائك.

يقدم هذا البحث خصائص ومزايا صب حقن مسحوق المعدن من التيتانيوم وسبائك التيتانيوم ، ويلخص التقدم البحثي في ​​تكنولوجيا صب حقن مسحوق المعادن للتيتانيوم وسبائك التيتانيوم من المواد الخام المسحوقة ، ونظام الربط ، وصب حقن المسحوق ، وإزالة الترابط والتلبيد ، و يحلل اتجاه البحث وآفاق التطوير لقولبة مسحوق المعادن بالحقن من التيتانيوم وسبائك التيتانيوم وفقًا للمشاكل الرئيسية في الوقت الحاضر.

الكلمات المفتاحية تيتانيوم؛ سبائك التيتانيوم؛ صب الحقن تصنيف التقدم في البحث رقم TF125.2 ؛ TF125.2 زائد 2

منذ أربعينيات القرن التاسع عشر ، عندما أتقن الناس طريقة الإنتاج الصناعي للحصول على معدن التيتانيوم من الخامات ، تم استخدام سبائك التيتانيوم والتيتانيوم على نطاق واسع في المنشآت الصناعية والتجارية. ومع ذلك ، بالمقارنة مع الفولاذ ، فإن إنتاجها السنوي لا يزال صغيراً ، وبسبب التكلفة العالية للمواد الخام ، يقتصر نطاق تطبيقها في الغالب على الصناعة البحرية ، والصناعات الكيماوية ، وصناعة الطيران ، والأجهزة الطبية ، والغرسات والسلع الفاخرة وغيرها من الصناعات مع متطلبات عالية لأداء المواد.

في الوقت الحاضر ، بالإضافة إلى ارتفاع أسعار المواد الخام ، فإن صعوبة معالجة وتشكيل سبائك التيتانيوم والتيتانيوم تحد بشكل كبير من نطاق تطبيقها.

القدرة الميكانيكية لسبائك التيتانيوم والتيتانيوم ضعيفة. تعتبر طريقة المعالجة التقليدية مكلفة لمعالجة المعدات ومنخفضة في كفاءة المعالجة ، مما يزيد بشكل كبير من تكلفة المعالجة ؛ هياكل أجزاء التيتانيوم التي يمكن تشكيلها بسيطة للغاية ، ومعظمها لا يستطيع تحقيق مخطط التصميم الذي يمكن أن يفسح المجال للأداء الأمثل للمواد بسبب قيود طرق المعالجة.

في هذا السياق ، أصبح تشكيل المعادن بالحقن (MIM) ، الذي يتميز بمزايا معدل الاستخدام العالي للمواد الخام وانخفاض تكلفة الإنتاج دفعة واحدة ، عملية معالجة مثالية للتيتانيوم وسبائك التيتانيوم [1 - 4].

عادةً ما تتضمن عملية قولبة حقن مسحوق المعدن عدة عمليات أساسية ، مثل تحضير مادة الحقن ، القولبة بالحقن ، إزالة الترابط ، التلبيد والمعالجة اللاحقة الضرورية.

كما هو مبين في الشكل 1 ، يتم خلط مسحوق المعدن ومكونات الرابطة العضوية وخلطها وتحبيبها لتحضير مادة الحقن ، ثم يتم حقن مادة الحقن في القالب عند درجة حرارة وضغط معينين. بعد التبريد ، يتم الحصول على المنتج الأخضر ذو الشكل المحدد عن طريق إزالة القوالب ، ومن ثم يتم إزالة جميع المكونات العضوية باستثناء مسحوق المعدن باللون الأخضر من خلال عملية إزالة الترابط ليصبح أخضر منزوع الترابط ، وأخيراً يتم الحصول على المنتج بالأداء المطلوب عن طريق تلبيد.

تدرك تقنية قولبة الحقن بالمسحوق المعدني المزيج العضوي لقولبة الحقن وتقنية تعدين المساحيق التقليدية ، وتتغلب على أوجه القصور في تكلفة عملية المعالجة العالية ، والشكل البسيط لعملية التشكيل التقليدية ، وكفاءة الإنتاج المنخفضة لعملية الضغط والحقن المتوازنة ، والعديد من عيوب الصب التقليدي عملية ، ودقة تحمل منخفضة ، وتعزز بشكل كبير إنتاج وتطبيق منتجات التيتانيوم وسبائك التيتانيوم (كما هو موضح في الشكل 2).

الشكل 1 مخطط تدفق عملية صب حقن مسحوق معدن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم

الشكل 1 مخطط تدفق سبائك التيتانيوم والتيتانيوم المصنعة بواسطة MIM

الشكل 2 أمثلة تطبيقية لقولبة حقن مسحوق معدن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم تم تطويرها بشكل مشترك بواسطة Zhongwei Precision و Beijing في عام 2002 ، وتم تحقيق الإنتاج الضخم في عام 2004

الشكل 2 تطبيق سبائك التيتانيوم والتيتانيوم المصنعة بواسطة MIM

يقدم هذا البحث خصائص ومزايا قولبة حقن مسحوق معدن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم ، ويلخص التقدم البحثي في ​​تكنولوجيا صب مسحوق حقن مسحوق التيتانيوم وسبائك التيتانيوم من المواد الخام المسحوقة ، وأنظمة الربط الشائعة الاستخدام ، والقولبة بالحقن ، وإزالة التكلس والتلبيد ، والتحليلات اتجاه البحث في صب حقن مسحوق التيتانيوم وسبائك التيتانيوم المعدنية في ضوء المشاكل الرئيسية الحالية.

حالة البحث في صب حقن مسحوق معدن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم

أظهر البحث أن الخواص الميكانيكية ومقاومة التآكل والخصائص الطبية الحيوية للمنتجات المصبوبة بالحقن المصنوعة من التيتانيوم وسبائك التيتانيوم تتأثر بشكل كبير بالكثافة النسبية ومحتوى الشوائب وعناصر السبائك والبنية المجهرية.

بعد التلبيد ، تبلغ الكثافة النسبية للمنتجات المصبوبة بالحقن حوالي 95 بالمائة ، وستكون هناك نسبة معينة من المسام المتبقية.

ستصبح هذه المسام المتبقية مصدر التشقق عندما تنكسر العينة ، ويكون لها تأثير كبير على قوة الشد ، والليونة ، ومتانة الكسر ، وقوة التعب ، والخصائص الميكانيكية الأخرى للمادة. لذلك ، كلما زادت الكثافة النسبية للمنتجات المقولبة بالحقن من التيتانيوم وسبائك التيتانيوم ، كانت خواصها الميكانيكية أفضل.

ستعمل الشوائب مثل الأكسجين والكربون والنيتروجين والهيدروجين وما إلى ذلك ، وخاصة الأكسجين على تحسين قوة الخضوع وقوة الشد وصلابة المواد وتقليل الليونة. يتم إذابة الشوائب في مادة التيتانيوم عند درجة حرارة التلبيد. نظرًا لعدم وجود عامل اختزال فعال ، فمن الصعب التحكم في شوائب سبائك التيتانيوم والتيتانيوم أثناء عملية التلبيد ، لذلك من الضروري تقليل كمية الأكسجين المضاف في المواد الخام وكل عملية لاحقة قدر الإمكان.

ستؤثر البنية المجهرية لسبائك التيتانيوم والتيتانيوم ، بما في ذلك حجم الحبيبات وتكوين الطور بعد التلبيد ، على الخواص الميكانيكية للمواد. باختصار ، تتميز مواد التيتانيوم وسبائك التيتانيوم المصبوبة بالحقن ذات الأداء الممتاز بكثافة عالية ومحتوى منخفض من الشوائب (محتوى أكسجين عادةً) وتركيب سبيكة مناسب وحبيبات دقيقة وعيوب قليلة أثناء التكثيف [5].

1.1 مسحوق المواد الخام

يعد اختيار المواد الخام للمسحوق خطوة مهمة في عملية صب حقن مسحوق التيتانيوم. يؤثر توزيع حجم الجسيمات ومورفولوجيا المسحوق بشكل مباشر على سيولة مادة الحقن وقابليتها للتشكيل ، والاحتفاظ بالشكل للجسم الأخضر أثناء عملية إزالة الترابط والانكماش أثناء عملية التلبيد.

في الوقت الحاضر ، تشتمل طرق تحضير مسحوق التيتانيوم وسبائك التيتانيوم الشائعة الاستخدام على الطريقة الميكانيكية وطريقة الانحلال.

شكل المسحوق الناتج عن الطحن الميكانيكي (مثل الطحن الكروي ، وطحن الكرة بالتحريك ، وطحن الكرة الاهتزازية عالية الطاقة وطحن تدفق الهواء) بشكل عام غير منتظم أو زاوي.

عملية نزع الهدرجة (HDH) هي للاستفادة من هشاشة التيتانيوم الواضحة بعد امتصاص الهيدروجين ، وسحقها بالطحن الميكانيكي أو سحق الهواء ، ثم نزع الهيدروجين للحصول على مسحوق التيتانيوم بشكل غير منتظم ، كما هو موضح في الشكل 3 (أ) . يمكن تنفيذ طريقة الانحلال (مثل الانحلال الغازي الخامل ، الانحلال الكهربائي لشعاع البلازما وانصهار الغاز بالحث الكهربائي) في جو خامل تمامًا ، وذلك للحفاظ على درجة نقاء عالية من المسحوق الخام. المسحوق كروي الشكل ، مع توزيع حجم جزيئات عريض إلى حد ما وأداء تكديس جيد ، كما هو موضح في الشكل 3 (ب).

بالإضافة إلى ذلك ، على عكس تكنولوجيا إنتاج مسحوق الفولاذ ، من الصعب إنتاج مسحوق تيتانيوم بحجم جزيئات أدق. مع انخفاض حجم الجسيمات ، تزداد مساحة السطح المحددة ، كما سيزداد محتوى الشوائب.

بشكل عام ، يكون حجم جسيمات مسحوق التيتانيوم المستخدم بواسطة MIM أقل من 45 ميكرومتر. عندما تكون جزيئات المسحوق كبيرة جدًا ، تكون عملية الحقن عرضة لإنتاج فصل بودرة رابطة ، وتشكيل عيوب ، والتي يجب أخذها في الاعتبار بشكل كامل في تصميم تكوين مواد الحقن وتصميم القالب [5].

الشكل 3 مسحوق تيتانيوم مهدرج هيدروجين (أ) ومسحوق بخاخ تيتانيوم (ب) لقولبة الحقن

الشكل 3 HDH (أ) والغاز المصغر (ب) مسحوق التيتانيوم المستخدم في MIM

1.2 الموثق

الرابط هو ناقل موجود على مراحل طوال عملية القولبة بالحقن. يتمثل دورها الرئيسي في جعل المسحوق يملأ القالب بالتساوي في حالة سائلة ، وتشكيل الشكل المطلوب ، والحفاظ عليه في مرحلة ما قبل التلبيد.

في عملية التشكيل بالحقن ، يجب أن يكون للموثق الخصائص التالية: نقطة انصهار منخفضة ، قابلية جيدة للبلل لجزيئات المسحوق ، وعلاج سريع ، وهو مناسب لتحضير مواد الحقن ؛ سيولة جيدة عند درجة حرارة الحقن ؛ بعد التشكيل ، يمكن إزالته بسهولة من الجسم الأخضر ، ويوجد بقايا أقل. منتجات التحلل غير سامة وغير قابلة للتآكل.

بشكل عام ، يجب أن يشتمل مكون الرابط على الأقل على المكون الرئيسي والمكون الثانوي:

يتم استخدام المكون الرئيسي لترطيب جزيئات المسحوق المعدني وتوفير السيولة اللازمة ، بينما يضمن المكون الثانوي أن الجسم الأخضر للحقن لا يزال يتمتع بقوة كافية أثناء عملية الحقن وبعد إزالة المكون الرئيسي للمادة الرابطة.

في معظم الحالات ، يحتوي نظام الربط على مكون ثالث ، مثل الفاعل بالسطح ، لتحسين التوافق بين مساحيق المعادن والبوليمرات.

وفقًا للمكونات الرئيسية المختلفة في مكونات الموثق ، يمكن تقسيم أنظمة الربط الشائعة الاستخدام إلى أنظمة تعتمد على الشمع ، وأنظمة قائمة على المركبات العطرية ، وأنظمة تعتمد على بارافورمالدهيد وأنظمة قائمة على الماء.

1.2.1 مادة رابطة على أساس الشمع

الشمع الشائع الاستخدام للمواد اللاصقة التي تعتمد على الشمع هو شمع البارافين وشمع العسل وشمع النخيل والبوليمرات قصيرة السلسلة الأخرى. لديهم نقطة انصهار منخفضة ، وقابلية جيدة للبلل ، وسلسلة جزيئية قصيرة ، ولزوجة منخفضة ، وتغير حجم أقل من البوليمرات الأخرى أثناء التحلل ، مما يؤدي إلى ضمان دقة أبعاد المنتجات.

تشتمل المكونات الثانوية المستخدمة بشكل شائع في الأنظمة القائمة على الشمع على البولي بروبيلين والبولي إيثيلين والبوليمر المشترك لأسيتات فينيل الإيثيلين والبولي ميثيل ميثاكريلات عالي الوزن الجزيئي. بالإضافة إلى الشمع والرابط الهيكلي ، عادةً ما يتم إضافة مادة خافضة للتوتر السطحي ، مثل حمض دهني ، لتحسين التوافق بين المسحوق والبوليمر.

نظام الموثق المعتمد على الشمع الذي تم الإبلاغ عنه لأول مرة في الأدبيات هو أن Kaneko et al.

كاتو وآخرون. [7] درس عملية نزع الترابط المكونة من خطوتين والتي تجمع بين إزالة التفريغ والتفريغ من الغلاف الجوي للأرجون ، مما يقلل بشكل كبير من محتوى الكربون والأكسجين في القطع الملبدة.

Guo et al. [8 - 9] طور البارافين - البولي إيثيلين جلايكول - البولي إيثيلين - البولي بروبيلين - نظام ربط حامض دهني باستخدام البولي إيثيلين جلايكول مع قدرة أفضل على التبلل لاستبدال جزء من البارافين ، واستخدمه في قولبة الحقن من التيتانيوم النقي وسبائك الفاناديوم التيتانيوم. تتميز الأجزاء الملبدة باحتفاظ جيد بالشكل وحركة قليلة. نظرًا لانخفاض محتوى الأكسجين والكربون ، فقد تم أيضًا تحسين الأداء بشكل كبير ، مما أدى إلى أداء أفضل.

بالإضافة إلى ذلك ، استخدم بعض الباحثين شمع النخيل ليحل جزئيًا محل شمع البارافين [10 - 13] وزيت النخيل ليحل محل شمع البارافين تمامًا [14] في نظام الربط القائم على الشمع ، مع تأثير تشكيل جيد. ومع ذلك ، نظرًا لأن عنصر الأكسجين الموجود في شمع النخيل هو أيضًا مصدر زيادة الأكسجين ، فإن محتوى الكربون والأكسجين في المنتج النهائي أعلى قليلاً ، وخصائصه الميكانيكية ليست بنفس جودة نظام البارافين.

تم اقتراح أفضل نظام ربط قائم على الشمع تم الإبلاغ عنه في الأدبيات من قبل Friederici et al. [15]. خلال التجربة ، تم تكوين أربعة أنواع من نسب المواد الرابطة عن طريق تعديل نسبة البارافين والبولي إيثيلين منخفض الكثافة وحمض دهني ، ثم تم إجراء عمليات التشكيل ، وإزالة الترابط والتلبيد لمواد الحقن المختلفة. تم الحصول على عينات بكثافة نسبية 98.1٪ وتركيب كيميائي يلبي متطلبات التيتانيوم النقي الثانوي.

يلعب نظام الموثق المعتمد على الشمع دورًا مهمًا في تشكيل الحقن. ومع ذلك ، نظرًا لانخفاض كفاءة إزالة الشحوم للمذيبات العضوية المستخدمة في إزالة الترسبات من المذيبات في نظام الربط القائم على الشمع ، يواصل الباحثون الابتكار على هذا الأساس وتطوير نظام رابط جديد.

1.2.2 مادة رابطة عطرية مركبة

يمكن إذابة المركبات العطرية (مثل النفثالين والأنثراسين وما إلى ذلك) عند درجة حرارة منخفضة جدًا. في ظل ظروف الضغط المنخفض ، يمكن تحويلها مباشرة من مادة صلبة إلى غاز عن طريق التسامي عند درجة حرارة أقل من نقطة انصهارها. يمكن أن يؤدي استخدام المركبات العطرية كمكونات رابطة إلى تحسين كفاءة عملية إزالة الترابط بشكل كبير.

ويل وآخرون. [16-18] المركبات العطرية المستخدمة في صب حقن مسحوق معدن التيتانيوم. في البحث ، تم استخدام النفثالين ، وحمض دهني بنسبة 1 في المائة ، و 3 في المائة ~ 12 في المائة من بوليمر أسيتات الفينيل المشترك كعوامل ربط لتحضير سبائك الفاناديوم المصنوعة من الألومنيوم والتي يسهل اختراقها.

أثناء التجربة ، بسبب التسامي المباشر للنفثالين إلى غاز ، لم يكن هناك طور سائل في عملية إزالة الترابط ، ولم يتغير حجم العينة ، واختلافًا عن إزالة الشحوم بالمذيبات ، كانت طاقة السطح المتضمنة في طريقة التسامي منخفضة ، مما يعني يمكن تجنب عيوب إزالة الشحوم الشائعة مثل التشوه والتصدع. أظهرت النتائج أن الكثافة النسبية للعينات الملبدة كانت 96.6٪ ، ولم يزد محتوى الكربون.

على الرغم من أن نظام الربط قد حقق أداءً ممتازًا للمنتج ، إلا أن المركبات العطرية في النظام ستظل لها تأثير على البيئة والصحة ، ولم تتم دراستها لاحقًا أو تطبيقها على نطاق واسع.

1.2.3 مادة رابطة على أساس البولي فورمالدهيد

تم استخدام مادة البولي فورمالدهيد لأول مرة في نظام الربط بواسطة شركة Celanese Corp في عام 1984 ، ثم تم تطويرها بواسطة BASF ، مما يجعل من الممكن ألا تحتوي مكونات الرابطة على شمع ومكونات ذات وزن جزيئي صغير [19].

يعد البولي فورمالدهيد المكون الرئيسي لنظام الربط ، ويضاف البولي إيثيلين (PE) تدريجيًا باعتباره الرابط الهيكلي في عملية التطوير اللاحقة.

في الوقت الحاضر ، قامت BASF بتشكيل مواد قولبة بالحقن تغطي الفولاذ منخفض السبائك والفولاذ المقاوم للصدأ وفولاذ الأدوات والتيتانيوم وسبائك التيتانيوم والسيراميك بناءً على نظام الربط هذا.

السمة الرائعة لـ POM هي أنها حساسة للكواشف الحمضية وسهلة التحلل الحمضي. لذلك ، يمكن معالجة القضبان الخضراء في جو حمضي أقل من درجة حرارة التليين. في هذه العملية ، يكون البولي أوكسي ميثيلين في حالة صلبة ، متجنبًا العيوب مثل الشقوق والتمدد الناجم عن غليان مكونات الرابط. علاوة على ذلك ، فإن الكتل الخضراء لديها تشوه صغير ، الاحتفاظ بالشكل الجيد ، والتحكم الدقيق في الحجم.

بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لمعدل الانتشار الكبير ، مقارنة بطرق إزالة الشحوم الأخرى ، فإن معدل إزالة الشحوم أعلى ، والذي يمكن أن يصل إلى 10 أضعاف معدل إزالة الشحوم التقليدية بالمذيبات ، مع السماح بإزالة الأحجام السميكة [20].

على الرغم من أن نظام الربط القائم على البولي أوكسي ميثيلين له العديد من المزايا المذكورة أعلاه ، إلا أن له أيضًا العديد من العيوب.

يشيع استخدام بخار حمض النيتريك شديد التآكل كعامل مساعد في عملية إزالة الترابط التحفيزي. من ناحية أخرى ، قد يتحلل البولي أوكسي ميثيلين أثناء التحضير والقولبة بالحقن لمواد الحقن في المرحلة المبكرة ، مما ينتج فورمالديهايد عالي السمية ، وتحتاج منتجات التحلل إلى إزالتها من خلال الاحتراق على خطوتين. من ناحية أخرى ، يلعب الجو الحمضي دورًا محفزًا بشكل كبير في تآكل المعدات ، مما يتطلب المزيد من الاستثمار.

1.2.4 مادة رابطة مائية

المذيبات منزوعة الترابط (مثل الهبتان والهكسان) أو نواتج التحلل لمكونات الرابطة (مونومر المركب العطري والفورمالدهيد) المستخدمة في أنظمة الربط المتعددة المذكورة أعلاه هي أكثر أو أقل ضررًا بالبيئة والمشغلين. لذلك ، من الأهمية بمكان تطوير واستخدام نظام الربط مع المذيبات الصديقة للبيئة.

تستخدم أنظمة الربط الحالية الصديقة للبيئة الماء كمذيب لإزالة الترابط.

وفقًا للأدوار المختلفة للماء في تحضير مواد الحقن ، يمكن تقسيم هذا النوع من أنظمة الربط إلى مادة هلامية وغير هلامية.

البوليمر الشائع المستخدم في الأنظمة التي لا تعتمد على الهلام هو البولي إيثيلين جلايكول ، والذي يتميز بأداء جيد ورخيص وسهل الحصول عليه. يمكن إزالة البولي إيثيلين جلايكول منخفض الوزن الجزيئي بسرعة وبشكل كامل عند 60 درجة مئوية ، والوزن الجزيئي للبولي إيثيلين جلايكول شائع الاستخدام حوالي 500 ~ 2000. الموثق الهيكلي الشائع هو بولي ميثيل ميثاكريلات بوزن جزيئي 10000.

Sidambe et al.

في التجربة ، تمت إزالة البولي إيثيلين جلايكول تمامًا في ماء 55 درجة مئوية بعد 5 ساعات ، وتمت إزالة البولي ميثيل ميثاكريلات تمامًا في 44 0 درجة مئوية من تدفق الأرجون المزيل للحرارة. محتوى الأكسجين النهائي (جزء الكتلة) للعينة المحضرة هو 0.2 بالمائة ، وقوة الشد المقابلة 850 ~ 880 ميجا باسكال ، والاستطالة 8.5 بالمائة ~ 16 بالمائة ، تلبية لمعيار ASTM الصف 5 Ti.

معظم المواد اللاصقة التي أساسها الهلام عبارة عن مواد طبيعية ، مثل السليلوز ، وأجار النشا ، وما إلى ذلك.

توكورا [22] وآخرون. استخدم أجار ليحل محل البوليمر الموثق في صب حقن مسحوق التيتانيوم ، ودرس الاستقرار الحراري ، وقابلية الذوبان واللزوجة لنظام الموثق.

تقرير مسحوق المعادن (MPR) [23] أفاد عن دراسة حول إنتاج غرسات الأسنان المصنوعة من سبائك التيتانيوم باستخدام مادة رابطة أساسها أجار ، والتي تتكون من مواد تقوية أجار وماء وهلام.

سوزوكي [24] وآخرون. تم تحضير 97.3 بالمائة من العينات بكثافة نسبية باستخدام مادة رابطة أجار (الوزن الجزيئي 82 500) تحتوي على 4 بالمائة من الكسر الكتلي. كسور كتلة الكربون والأكسجين في العينات هي 0. 33 بالمائة و 0. 3 بالمائة ، على التوالي. قوة الخضوع هي 539 ميجا باسكال ، والاستطالة حوالي 10 بالمائة. أظهرت النتائج التجريبية أنه عند استخدام أجار عالي الوزن الجزيئي ، تزداد قوة الهلام ، لكن محتوى الكربون والأكسجين المتبقي مرتفع ، مما ينتج عنه كثافة تلبيد أقل ، وقوة شد واستطالة للقطع الملبدة.

من السهل التحكم في المادة الرابطة المائية غير الهلامية ، كما أن معدات إزالة الشحوم أرخص من طرق إزالة الشحوم الأخرى ، والمادة الرابطة قابلة للتحلل البيولوجي وغير سامة للكائنات الدقيقة ، ولكن معالجة مياه الصرف لإزالة الشحوم تتطلب تكاليف إضافية.

من الصعب التحكم في حجم الأجزاء النهائية التي ينتجها مركب قولبة الحقن بنظام الموثق الهلامي ، والتركيب غير مستقر بدرجة كافية ، لذا فإن ظروف العملية ومراقبة الجودة صعبة ، ولا تزال هناك حاجة إلى مزيد من البحث والتحسين.

1.3 القولبة بالحقن وإزالة الترابط والتلبيد

يتم تحديد معلمات عملية القولبة بالحقن من خلال خصائص مركب الحقن وهندسة المنتج المستهدف.

كما هو مذكور أعلاه ، فإن حجم جزيئات مسحوق التيتانيوم عادة ما يكون خشنًا نسبيًا ، وهو ما يسهل التسبب في فصل مادة رابطة المسحوق مقارنةً بقولبة مواد الفولاذ المقاوم للصدأ بالحقن. قبل القولبة بالحقن ، يجب صياغة معلمات عملية التشكيل المناسبة وفقًا للخصائص الانسيابية لمواد الحقن لتقليل العيوب في الأجسام الخضراء المصبوبة.

وانغ وآخرون.

بارك [26] وآخرون. أعدت مواد الحقن بمسحوق تيتانيوم مرذاذ ، ومسحوق تيتانيوم HDH ومسحوق تيتانيوم HDH كروي ، وقياس خصائصها الانسيابية وسلوكها ، واقترح مؤشر قابلية التشكيل لمواد الحقن ، وتقييم خصائص مواد الحقن بناءً على ذلك. قدمت نتائج التحليل أساسًا نظريًا للاستخدام المتزامن لمسحوق HDH ومسحوق رذاذ في نظام مواد الحقن.

ناقش Barriere [27] وآخرون معلمات العملية المثلى لإنتاج أجزاء معدنية مصبوبة بالحقن بدون عيوب وبخصائص ميكانيكية مطلوبة بناءً على عملية المحاكاة التجريبية والرقمية. بناءً على تقنية النمذجة ، استخدموا معادلات تدفق ثنائية الطور وخوارزمية صريحة مطورة حديثًا للتنبؤ بظاهرة فصل المواد في عملية الحقن باستخدام المحاكاة العددية.

تشين [28] وآخرون. استخدم مسحوق Ti - 6Al - 4V المهدرج المهدرج ونظام الموثق القابل للذوبان في الماء لتحضير تغذية التعليق ، ثم قم بقياس معدل إزالة مكون البولي إيثيلين جليكول المكون للذوبان في الماء في عينات مختلفة السماكة عند درجات حرارة مختلفة ، أنشأ نموذجًا رياضيًا للتحكم في الانتشار ، وتحديد آلية إزالة الترابط لنظام الموثق.

Sidambe [29] وآخرون. استخدمت طريقة تاجوشي لتحديد أفضل مزيج من درجة حرارة التلبيد والوقت ومعدل التسخين والجو وغيرها من المعايير.

ولا وآخرون. [30] تحضير مادة حقن Ti - 6Al - 4V باستخدام إستر النخيل الصلب ونظام ربط البولي إيثيلين ، وصياغة عملية الإنتاج المثلى باستخدام طريقة Taguchi. أخيرًا ، تم الحصول على عينة بقوة خضوع تبلغ 934.4 ميجا باسكال واستطالة بنسبة 10 في المائة ، وتوافق أدائها العام مع متطلبات سبائك التيتانيوم الطبية ASTM B 348-02.

أوباسي وآخرون [31] أعدت عينات Ti - 6Al - 4V ذات الخصائص التي تفي بمتطلبات ASTM B348-02 من سبيكة التيتانيوم من الدرجة 23 ، ودرس تأثير التغييرات في نظام معاملات العملية الأساسية على عملية إزالة الشحوم والتلبيد الحراري لـ Ti - 6Al - 4V مكونات مسحوق MIM.

Limberg et al. [32] أعد Ti - 45Al - 5Nb - 0. 2B - 0. 2C عن طريق خلط مساحيق بسيطة في عملية القولبة بالحقن ، ودرس تأثيرات وقت التلبيد وجو التلبيد على خصائص الشد والبنية المجهرية ، وحصلت على عينات بقوة شد تبلغ حوالي 630 ميجا باسكال.

Guo et al. [8-9] أعدت مادة التيتانيوم الخالص و Ti-6Al - 4V بتقنية القولبة بالحقن ، ودرس تأثير عمليات المعالجة الحرارية مثل الضغط المتساوي الساكن والتليين على خواص مواد السبائك ، وتميز نوعياً وكمياً تأثير المعالجة الحرارية عن طريق اختبار الخصائص الميكانيكية للبنية المجهرية. تظهر بنيتها المجهرية في الشكل 4.

يتم تحضير تغذية الملاحظة عن طريق خلط مسحوق التيتانيوم المذاب ومسحوق التيتانيوم منزوع الهيدروجين المهدرج ونظام رابطة أساسه الشمع. بعد القولبة بالحقن ، يتم تفريغها في المذيب في خليط الهبتان والإيثانول. بعد التسخين حتى 350 ، 420 ، 600 درجة مئوية بمعدل تسخين معين ، يتم إزالة المادة الرابطة بالكامل عن طريق الحفاظ على الحرارة. درجة حرارة التلبيد 1230 درجة مئوية ، والحفاظ على الحرارة 3 ساعات. أخيرًا ، خصائص الشد للعينات الملبدة هي 389 ~ 419 ميجا باسكال ، والاستطالة هي 2 بالمائة ~ 4 بالمائة.

أعد أعضاء مجموعة البحث [33] عينات تيتانيوم نقي باستخدام مسحوق تيتانيوم بخاخ ونظام رابط قابل للذوبان في الماء ، ودرسوا تأثيرات درجة حرارة التلبيد ووقت الانتظار على خصائص عينات التيتانيوم النقي. تم إجراء عملية التلبيد تحت فراغ 10-4 ~ 10-3 باسكال ، وكانت درجة حرارة التلبيد 1350 درجة مئوية ، وكانت الاستطالة 20.3 بالمائة بعد الاحتفاظ لمدة 3 ساعات ، وهو ما يتوافق تمامًا مع ASTM F {{8 }} ، العينة ذات أفضل أداء ميتالورجيا المساحيق ، كانت الكثافة النسبية 96.9٪ ، وقوة الشد 443 ميجا باسكال ، معيار الطب الحيوي من التيتانيوم النقي من الدرجة الثانية.

الشكل 4 البنية المجهرية لعينات التيتانيوم النقي (أ) وسبائك الفاناديوم وألومنيوم التيتانيوم (ب) المحضرة بحقن مادة رابطة قائمة على الشمع

الشكل 4 المجهرية لعينات Ti (a) و Ti -6 Al -4 V (b) المحضرة بواسطة مواد أولية قائمة على الشمع

2 مواد صب حقن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم الجديدة

في الوقت الحاضر ، تُستخدم سبائك التيتانيوم والتيتانيوم على نطاق واسع في جراحة العظام والأدوات المتعلقة بطب الأسنان والغرسات الطبية. ومع ذلك ، نظرًا للاختلاف بين الخواص الميكانيكية والخواص الميكانيكية للعظام البشرية (معامل المرونة حوالي 20 جيجا باسكال) ، تحدث تأثيرات الحماية من الإجهاد على واجهة العظم / الغرسة ، مما قد يؤدي إلى انخفاض كبير في الآثار السريرية طويلة المدى ، مثل هو مبين في الشكل 5.

لذلك ، قام الباحثون بتعديل الخواص الميكانيكية لمواد التيتانيوم عن طريق تغيير هيكل وتكوين سبائك مواد التيتانيوم لجعلها أقرب إلى هيكل وأداء عظام الإنسان الطبيعية.

الشكل 5 مقارنة معامل المرونة لمواد سبائك التيتانيوم الطبية الشائعة

الشكل 5 مقارنة معامل المرونة لسبائك التيتانيوم الطبية الحيوية

2.1 مواد التيتانيوم المسامية ومركبات التيتانيوم والسيراميك

تتمتع مواد التيتانيوم المسامية ومواد نظام سبائك التيتانيوم الجديدة بهيكل مسام مناسب وخصائص ميكانيكية ، وهي مواد مثالية لزراعة العظام.

من ناحية ، يمكن أن يقلل بشكل فعال من عدم تطابق الإجهاد بين الغرسة وأنسجة العظام ، وبالتالي تقليل تأثير الحماية من الإجهاد وتحقيق الوظيفة الدائمة والفعالة للزرع ؛ من ناحية أخرى ، تعتبر البنية المسامية شرطًا ضروريًا لنمو خلايا العظام لجسم الزرع. يمكن للبنية المسامية المترابطة أن تسمح بمرور كمية كبيرة من سوائل الجسم ، مما يمكن أن يعزز نمو خلايا العظام.

قو [34] وآخرون. شكلت سبيكة TC4 جديدة بهيكل مسام مفتوح عن طريق إضافة TiH2 كعامل رغوة ومنشط إلى مسحوق عنصر الفاناديوم التيتانيوم والألومنيوم ، مع توزيع موحد لحجم المسام من 90 ~ 190 ميكرون. تبلغ المسامية حوالي 43 في المائة ~ 59 في المائة ، ومعامل المرونة هو 5.8 ~ 9.5 جيجا باسكال. المحرك وآخرون. [35] أعدت سبائك التيتانيوم الصغيرة التي يسهل اختراقها عن طريق صب حقن المسحوق (PIM) جنبًا إلى جنب مع تقنية عامل تشكيل المسام ، ودرس تأثير كمية عامل تشكيل المسام polymethylmethacrylate على الكثافة ومقاومة الانضغاط ومعامل المرونة للسبيكة.

موالف وآخرون

تشين [37] وآخرون. يستخدم كلوريد الصوديوم كعامل تشكيل مسام ومادة حقن على أساس شمع مسحوق التيتانيوم منزوع الهيدروجين المهدرج لإعداد عينات مصبوبة بالحقن. كانت مسامية العينات التي تم الحصول عليها 42.4 في المائة ~ 71.6 في المائة ، وبلغ قطر المسام 300 ميكرون. كما هو مبين في الشكل 6. من خلال تعديل كمية كلوريد الصوديوم ، يمكن تكوين ثقب متصل في جزء الحقن ، وتكون خواصه الميكانيكية مماثلة لخصائص العظم الإسفنجي.

باربوسا وآخرون.

شكل 6 مكون صب حقن التيتانيوم المسامي المحضر مع كلوريد الصوديوم كعامل تشكيل مسام

الشكل 6 مكون صب حقن التيتانيوم المسامي باستخدام كلوريد الصوديوم كحامل مساحة

يمتلك هيدروكسيباتيت (HA) ، الذي له نفس التركيب الكيميائي والبنية البلورية مثل نسيج العظام الطبيعي للإنسان ، مزايا فريدة في استبدال العظام وإعادة بناء العظام ، وقد بدأ يلعب دورًا متزايد الأهمية في الأجهزة الطبية الحيوية.

ومع ذلك ، فإن HA هش وذو خواص ميكانيكية رديئة ، لذلك لا يمكن استخدامه كمكون حاملة وحدها. لذلك ، ظهرت مادة طبية حيوية جديدة تتكون من مواد HA والتيتانيوم.

ثيان وآخرون. درس [39  42] تحضير مركبات Ti6Al4V / HA عن طريق القولبة بالحقن. أولاً ، تم تحضير مسحوق مركب Ti6Al4V / HA بواسطة عملية ملاط ​​السيراميك ، ثم تم خلط المسحوق المحضر مع مادة رابطة تجارية PAN -250 S لتحضير الملاحظات. تم اختبار الخواص الانسيابية لخليط الحقن ، ودراسة تأثيرات معدل التسخين ومعدل تدفق الغاز في الغلاف الجوي المنحل على عيوب جزء نزع الترابط ، وكمية المادة الرابطة التي تمت إزالتها ومحتوى الكربون المتبقي في عملية نزع الترابط. ؛ تأثير معلمات عملية التلبيد (معدل التسخين ، درجة حرارة التلبيد ، وقت الاحتفاظ ، معدل التبريد ، إلخ) على خصائص العينة النهائية ، تبلغ مسامية العينة المحضرة حوالي 50 بالمائة ؛ بالإضافة إلى ذلك ، تم تحليل عملية التحلل البيولوجي لمادة Ti6Al4V / HA المحضرة في بيئة سوائل الجسم وتميزت بنتائج اختبار الخواص الميكانيكية.

2.2 مواد سبائك التيتانيوم الجديدة

يعد المجال الطبي الحيوي فرعًا مهمًا من تطبيقات مواد التيتانيوم ، ويؤثر اتجاه طلب التطبيق بشكل مباشر على اتجاه تطوير مواد التيتانيوم.

كانت مواد التيتانيوم المبكرة عبارة عن تيتانيوم نقي طور) ، لكن قوة مواد التيتانيوم النقية منخفضة ومقاومة التآكل ضعيفة ، وبالتالي تطوير قوة وصلابة عالية ، ممثلة بـ Ti6Al4V و Ti6Al7Nb و Ti5Al2.5Fe بالإضافة إلى سبيكة النوع.

أوست وآخرون. [43] نجحت في تصنيع مواد برغي عظمي بأداء ممتاز باستخدام مسحوق Ti6Al7Nb ونظام رابطة قائم على الشمع (بارافين بالإضافة إلى PE بالإضافة إلى حمض دهني) ، كما هو موضح في الشكل 7. كثافتها النسبية 97.6 بالمائة ، وقوة الشد 815 ميجا باسكال ، وقوة الخضوع هي 714 ميجا باسكال ، والاستطالة 8.7 بالمائة.

تظهر نتائج البحث أن Al و V وعناصر سبيكة أخرى في سبائك التيتانيوم وألومنيوم الفاناديوم وسبائك التيتانيوم والألومنيوم النيوبيوم ، والتي تستخدم على نطاق واسع في الوقت الحاضر ، ستطلق أيونات Al ، V السامة للخلايا بعد دخول الزرع إلى جسم الإنسان ، مما يتسبب في ضرر لجسم الإنسان .

نتيجة لذلك ، أجرى الباحثون سلسلة من اختبارات السلامة الحيوية من الجيل الجديد التي تحتوي على Nb و Ta و Zr و Mo و Sn وعناصر السلامة الحيوية الأخرى ولكن ليس عناصر Al ، V تطوير نظام سبائك التيتانيوم.

تشتمل سبائك التيتانيوم البيولوجية المطورة والبحث حاليًا بشكل أساسي على Ti -15 Nb، Ti -13 Nb -13 Zr، Ti -35 Nb -7 Zr -5 Ta ، Ti -12 Mo -6 Zr -2 Fe ، Ti -35. 3Nb -5. 1Ta -7. 1Zr و Ti -29 ملحوظة -13 Ta -4. 6Zr [44]. نظرًا لقيود تقنية صنع المسحوق والجوانب الأخرى ، نادرًا ما تستخدم أنظمة السبائك هذه في صب حقن المسحوق.

تشاو وآخرون.

Arokiasamy et al. [46] أعد سبيكة Ti  5Fe  5Zr بإضافة عناصر Fe و Zr إلى مسحوق تيتانيوم نقي HDH ، وقاس الخواص الميكانيكية للسبيكة. بناءً على نتائج الاختبار ، تم الحصول على آلية تأثير المسامية المتبقية و TiC على خواص مواد السبيكة.

الشكل 7 صب حقن مسحوق المعادن

الشكل 7 برغي عظمي Ti6Al7Nb تم إعداده بواسطة عملية تشكيل حقن المعادن Ti6Al7Nb برغي عظمي MIM من إنتاج شركة Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co.، Ltd

3 التوقعات

تتمتع سبائك التيتانيوم والتيتانيوم بإمكانيات تطوير كبيرة في تطبيقات الطيران ، والطبية ، والكيميائية ، والسيارات ، والسلع الاستهلاكية نظرًا لانخفاض جاذبيتها النوعية ، وقوتها النوعية العالية ، وتوافقها الحيوي الممتاز ومقاومة الأكسدة ، ومقاومة جيدة للتآكل.

بالمقارنة مع تقنيات المعالجة التقليدية ، مثل الحدادة والصب والتشغيل الآلي ، فإن تقنية قولبة الحقن بالمسحوق لها مزايا واضحة ، وتكوين سبيكة موحد ، ومعدل استخدام مرتفع للمواد الخام ، وقدرة إنتاج قوية لكميات كبيرة من الأجزاء المعقدة الشكل ، والتي يمكن أن تعزز بشكل كبير إنتاج وتطبيق منتجات التيتانيوم وسبائك التيتانيوم.

على الرغم من إحراز بعض التقدم في البحث في صب حقن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم ، لا تزال هناك سلسلة من المشاكل التي يتعين حلها في عملية الإنتاج الصناعي الفعلية ، مثل ارتفاع أسعار المواد الخام عالية الجودة ، والتطبيق غير الكافي للمواد الجديدة. نظام سبائك التيتانيوم عالي الجودة لقولبة الحقن ، وصعوبة التحكم في التركيب الكيميائي للمنتجات.

بالإضافة إلى ذلك ، مع التطور السريع لتكنولوجيا الأنظمة الدقيقة في السنوات الأخيرة ، يتزايد الطلب على المكونات المعقدة الدقيقة المستخدمة في الأنظمة الدقيقة ، ويلزم نقل صب حقن المسحوق من أنواع المنتجات التقليدية إلى المنتجات الدقيقة وتطويرها إلى صب حقن مسحوق دقيق تكنولوجيا.

في الوقت الحاضر ، تركز تقنية القولبة بالحقن الدقيق في الغالب على البوليمر والفولاذ المقاوم للصدأ وأنظمة المواد الأخرى. لا تزال هناك العديد من المشاكل التي يجب دراستها في صب حقن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم.

لذلك ، يجب أن يركز تطوير أبحاث قولبة حقن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم على البحث والتطوير لأنظمة سبائك التيتانيوم الجديدة ، وتطوير تكنولوجيا تحضير مسحوق سبائك التيتانيوم عالية الجودة منخفضة التكلفة ، والبحث في صب حقن مادة التيتانيوم الدقيقة من أجل الأجهزة الدقيقة المعقدة.

من خلال البحث المتعمق حول تقنية القولبة بالحقن لسبائك التيتانيوم والتيتانيوم ، يُعتقد أن تقنية القولبة بالحقن لسبائك التيتانيوم والتيتانيوم ستحقق تقدمًا كبيرًا ، ومن ثم تعزز التطور السريع لصناعة التيتانيوم