تكنولوجيا صب حقن مسحوق التيتانيوم وسبائك التيتانيوم المعدنية

تكنولوجيا صب حقن مسحوق التيتانيوم وسبائك التيتانيوم المعدنية

 

حققت Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co. ، Ltd. إنتاجًا ضخمًا من خلال البحث والتطوير المستمر والابتكار والاختبار وعمليات صب حقن معدن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم في عام 2008. إذا كان هناك عملاء في حاجة ، يرجى إرسال بريد إلكتروني: الأعمال- mall@zw-jm.com أعطه لشركتنا ، وسيقوم المهندسون المحترفون بالرد عليك في الوقت المناسب خلال أقصر يوم عمل ،

ملخص

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

يمكن لتقنية قولبة حقن مسحوق معدن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم (MIM) أن تحقق تحضيرًا واسع النطاق ومنخفض التكلفة لمنتجات التيتانيوم الصغيرة والمتوسطة الحجم ذات الشكل المعقد ، وهو أمر ذو أهمية كبيرة لتعزيز إنتاج وتطبيق منتجات التيتانيوم وسبائك التيتانيوم .

تقدم هذه المقالة خصائص ومزايا صب حقن مسحوق معدني من التيتانيوم وسبائك التيتانيوم. يلخص التقدم البحثي لتقنية حقن مسحوق التيتانيوم وسبائك التيتانيوم المعدنية من جوانب المواد الخام للمسحوق ، وأنظمة الربط ، وصب المسحوق ، وإزالة الترابط ، والتلبيد. استجابة للمشاكل الرئيسية الموجودة حاليًا ، يقوم بتحليل اتجاه البحث وآفاق التطوير لقولبة مسحوق المعادن بالحقن من التيتانيوم وسبائك التيتانيوم.

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

(ملاحظة المحرر: تم حذف المقدمة باللغة الإنجليزية ...)

منذ أن تم إتقان طريقة الإنتاج الصناعي للحصول على التيتانيوم المعدني من الخام في أربعينيات القرن التاسع عشر ، 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.

قابلية تشكيل التيتانيوم وسبائك التيتانيوم ضعيفة ، وطرق المعالجة التقليدية بها معدات باهظة الثمن وكفاءة معالجة منخفضة ، مما يزيد بشكل كبير من تكاليف معالجتها ؛ هيكل أجزاء التيتانيوم التي يمكن تشكيلها بسيط للغاية ، وبسبب قيود طرق المعالجة ، لا يستطيع معظمها تحقيق حلول التصميم التي يمكن أن تزيد من أداء المواد.

في هذا السياق ، أصبح تشكيل المعادن بالحقن (MIM) ، الذي يتميز بمزايا الاستخدام العالي للمواد الخام وانخفاض تكلفة الإنتاج دفعة واحدة ، عملية معالجة مثالية لسبائك التيتانيوم 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 أولاً خلط المسحوق المعدني ومكونات الرابطة العضوية وخلطها وتحبيبها لإعداد مادة الحقن. بعد ذلك ، يتم حقن مادة الحقن في القالب عند درجة حرارة وضغط معينين ، ويتم تبريدها ، وفكها للحصول على منتج أخضر بشكل محدد. بعد ذلك ، من خلال عملية إزالة الترابط ، تتم إزالة جميع المكونات العضوية باستثناء مسحوق المعدن من المنتج الأخضر ، مما يشكل منتجًا أخضر منزوعًا. أخيرًا ، يتم إجراء التلبيد للحصول على الأداء المطلوب للمنتج.

حققت تقنية قولبة حقن مسحوق المعدن مزيجًا عضويًا من قولبة الحقن وتقنية تعدين المساحيق التقليدية ، وتغلبت على عيوب تكلفة المعالجة العالية ، والشكل البسيط لعملية التشكيل التقليدية ، وكفاءة الإنتاج المنخفضة لعملية الضغط والحقن المتوازنة ، والعديد من العيوب التقليدية عملية الصب ، ودقة تحمل منخفضة. لقد عزز بشكل كبير إنتاج وتطبيق منتجات التيتانيوم وسبائك التيتانيوم (كما هو موضح في الشكل 2).

1 مخطط تدفق سبائك التيتانيوم والتيتانيوم المصنعة بواسطة MIM

 

2 تطبيقات التيتانيوم وسبائك التيتانيوم المصنعة بواسطة MIM

 

حالة البحث في صب حقن مسحوق معدن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم

أظهرت الأبحاث أن الخصائص الميكانيكية ، ومقاومة التآكل ، والخصائص الطبية الحيوية للمنتجات المصبوبة بالحقن المصنوعة من التيتانيوم وسبائك التيتانيوم تتأثر بشكل كبير بأربعة جوانب: الكثافة النسبية ، ومحتوى الشوائب ، وعناصر السبائك ، والبنية المجهرية.

بعد تلبيد منتج القولبة بالحقن ، تكون كثافته النسبية حوالي 95 بالمائة ، وستكون هناك نسبة معينة من المسام المتبقية.

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

يمكن لعناصر الشوائب مثل الأكسجين والكربون والنيتروجين والهيدروجين وما إلى ذلك ، وخاصة الأكسجين ، أن تزيد من قوة الخضوع وقوة الشد وصلابة المواد ، مما يقلل من ليونة. عند درجة حرارة التلبيد ، تذوب عناصر الشوائب في مادة التيتانيوم. بسبب نقص عوامل الاختزال الفعالة ، من الصعب التحكم في عناصر الشوائب في سبائك التيتانيوم والتيتانيوم أثناء عملية التلبيد. يتطلب ذلك تقليل كمية الأكسجين المضاف إلى المواد الخام وكل خطوة عملية لاحقة.

يمكن أن تؤثر البنية المجهرية لسبائك التيتانيوم والتيتانيوم ، بما في ذلك حجم الحبيبات وتكوين الطور بعد التلبيد ، على الخواص الميكانيكية للمادة. بشكل عام ، تتمتع مواد التيتانيوم وسبائك التيتانيوم المصبوبة بالحقن ذات الأداء الممتاز بكثافة عالية ، ومحتوى منخفض من الشوائب (محتوى أكسجين عادةً) ، وتركيب سبيكة مناسب ، وحجم حبيبات دقيق أثناء التكثيف ، وعيوب أقل [5].

1.1 مسحوق المواد الخام

يعد اختيار المواد الخام للمسحوق خطوة مهمة في عملية التشكيل بالحقن بمسحوق التيتانيوم. يؤثر توزيع حجم الجسيمات ومورفولوجيا المسحوق بشكل مباشر على سيولة مركب القولبة بالحقن وقابليته للتشكيل ، والاحتفاظ بالشكل للجسم الأخضر أثناء عملية إزالة الترابط ومعدل الانكماش أثناء عملية التلبيد.

تتضمن الطرق الشائعة لتحضير مساحيق التيتانيوم وسبائك التيتانيوم الطريقة الميكانيكية وطريقة الانحلال.

شكل المسحوق الذي تم الحصول عليه بالطرق الميكانيكية مثل الطحن الكروي ، وطحن الكرة بالتحريك ، والطحن بالكرة الاهتزازية عالية الطاقة ، والسحق بتدفق الهواء بشكل عام غير منتظم أو زاوي.

تستخدم عملية نزع الهدرجة (HDH) خصائص التقصف الواضحة للتيتانيوم بعد امتصاص الهيدروجين. يتم سحقها عن طريق الطحن الميكانيكي أو التكسير عبر تدفق الهواء ، ثم يتم تعريضها لنزع الهيدروجين للحصول على مسحوق تيتانيوم غير منتظم الشكل ، كما هو موضح في الشكل 3 (أ). يمكن تنفيذ طريقة الانحلال (مثل الانحلال الغازي الخامل ، الانحلال الكهربائي لشعاع البلازما وانصهار الغاز الكهربائي بالحث الكهربائي) في جو خامل تمامًا ، وذلك للحفاظ على درجة نقاء عالية من المسحوق الخام. المسحوق المحضر كروي الشكل وله توزيع واسع إلى حد ما لحجم الجسيمات ، مع أداء تكديس جيد ، كما هو موضح في الشكل 3 (ب).

بالإضافة إلى ذلك ، على عكس تكنولوجيا إنتاج مسحوق الفولاذ ، فإن إنتاج مسحوق التيتانيوم الدقيق أكثر صعوبة. مع انخفاض حجم الجسيمات ، تزداد مساحة السطح المحددة ، ويزداد أيضًا محتوى عناصر الشوائب.

عادةً ما يستخدم MIM مسحوق التيتانيوم بحجم جسيم أقل من 45 ميكرومتر. عندما تكون جزيئات المسحوق كبيرة جدًا ، تكون عملية الحقن عرضة لفصل مادة رابطة المسحوق وتشكيل العيوب. من الضروري النظر بشكل كامل في تصميم تركيبة مواد الحقن وتصميم القالب [5].

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

1.2 لاصق

الرابط هو ناقل موجود على مراحل طوال عملية التشكيل بالحقن بأكملها ، وتتمثل وظيفته الرئيسية في ملء القالب بالتساوي بالمسحوق في حالة سائلة ، وتشكيل الشكل المطلوب ، والحفاظ عليه حتى مرحلة ما قبل التكلس.

في عملية التشكيل بالحقن ، يجب أن يكون للموثق الخصائص التالية: نقطة انصهار منخفضة ، قابلية جيدة للبلل لجزيئات المسحوق ، وتصلب سريع ، وهو مناسب لتحضير مواد الحقن ؛ سيولة جيدة في درجة حرارة الحقن ؛ بعد التشكيل ، يمكن إزالته بسهولة من القضبان ، بمواد متخلفة أقل ومنتجات تحلل غير سامة وغير قابلة للتآكل.

بشكل عام ، تشتمل مكونات الموثق على الأقل على المكون الرئيسي والمكونات الثانوية:

يتم استخدام المكون الرئيسي لترطيب جزيئات المسحوق المعدني وتوفير قابلية التدفق الضرورية ، 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 المواد الخافضة للتوتر السطحي ، لتحسين التوافق بين مساحيق المعادن والبوليمرات.

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

1.2.1 مادة رابطة على أساس الشمع

تشتمل الشمع المستخدمة بشكل شائع لمجلدات النظام القائمة على الشمع على العديد من البوليمرات قصيرة السلسلة مثل البارافين وشمع العسل وشمع النخيل وما إلى ذلك. ولها نقطة انصهار منخفضة ، وقابلية جيدة للبلل ، وسلاسل جزيئية قصيرة ، ولزوجة منخفضة ، وتغيرات أصغر في الحجم أثناء التحلل مقارنة بالآخرين. البوليمرات ، مما يساعد على ضمان دقة أبعاد المنتج.

تشتمل المكونات الثانوية الشائعة الاستخدام للأنظمة القائمة على الشمع على مادة البولي بروبيلين والبولي إيثيلين والبوليمر المشترك لأسيتات فينيل الإيثيلين والبولي ميثيل ميثاكريلات عالي الوزن الجزيئي. بالإضافة إلى الشمع والمواد اللاصقة الهيكلية ، عادةً ما يتم إضافة مادة خافضة للتوتر السطحي مثل حمض دهني لتحسين التوافق بين المسحوق والبوليمر.

كان أول نظام موثق قائم على الشمع تم الإبلاغ عنه في الأدب هو Kaneko et al. [6] ، والتي استخدمت بارافين بولي بيوتيل ميثاكريلات إيثيلين فينيل أسيتات كوبوليمر ثنائي بيوتيل فثالات كمواد رابطة ومسحوق تيتانيوم لتحضير مادة حقن ملحوظة. كان تحميل المسحوق 56 في المائة ، وبعد إزالة الترابط ، تم تلبيده عند 1300 درجة مئوية و 1.3 باسكال.كانت العينة الملبدة التي تم الحصول عليها ذات كثافة نسبية 94 في المائة وقوة ضغط تبلغ 1000 ميجا باسكال ، ولكن بسبب محتوى الشوائب العالي ، تقريبا لا ليونة.

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

Guo et al. [{0}} تم استخدام البولي إيثيلين جلايكول مع قابلية ترطيب أفضل لاستبدال بعض البارافين وتطوير نظام ربط حامض استياريك بولي إيثيلين بولي إيثيلين البولي إيثيلين البارافين ، والذي تم استخدامه في التشكيل بالحقن لسبائك التيتانيوم الخالص وسبائك الفاناديوم والتيتانيوم. تتمتع الأجزاء الملبدة باحتفاظ جيد بالشكل وحركة موجية صغيرة للبوصة. بسبب انخفاض محتوى الأكسجين والكربون ، تم تحسين الأداء بشكل كبير ، مما أدى إلى أداء جيد.

بالإضافة إلى ذلك ، استخدم الباحثون شمع النخيل كبديل جزئي لشمع البارافين [10-13] وزيت النخيل كبديل كامل لشمع البارافين [14] لنظام رابطة يعتمد على الشمع ، والذي له تأثيرات تكوين جيدة. ومع ذلك ، نظرًا لعنصر الأكسجين الموجود في شمع النخيل نفسه ، فهو أيضًا مصدر لتعزيز الأكسجين ،

في الوقت الحاضر ، اقترح فريدريسي وآخرون نظام الربط الأمثل القائم على الشمع الذي تم الإبلاغ عنه في الأدبيات. [15]. خلال العملية التجريبية ، تم تكوين أربع نسب رابطة عن طريق ضبط نسب البارافين ، والبولي إيثيلين منخفض الكثافة ، وحمض دهني ، وتم تشكيل مواد حقن مختلفة ، ونزعها ، وتلبيدها بناءً على هذه النسب. تم الحصول على عينة بكثافة نسبية 98.1 بالمائة وتركيب كيميائي يلبي متطلبات التيتانيوم النقي الثانوي.

تلعب أنظمة الموثق القائمة على الشمع دورًا مهمًا في القولبة بالحقن ، ولكن نظرًا لانخفاض كفاءة إزالة المذيبات باستخدام المذيبات العضوية ، فقد قام الباحثون باستمرار بابتكار وتطوير أنظمة رابطة جديدة.

1.2.2 مواد رابطة عطرية مركبة

المركبات العطرية (مثل النفثالين والأنثراسين وما إلى ذلك) يمكن أن تذوب في درجات حرارة منخفضة للغاية ، وتحت ظروف الضغط المنخفض ، يمكن تحويلها مباشرة من مادة صلبة إلى غازية من خلال التسامي عند درجات 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 بحثها ، تم تحضير سبائك الفاناديوم المصنوعة من الألمنيوم والتيتانيوم الكثيفة وسبائك الفاناديوم المصنوعة من التيتانيوم والألومنيوم المسامي باستخدام النفثالين ، وكسر الكتلة بنسبة 1 في المائة من حامض دهني ، و 3 في المائة إلى 12 في المائة من الكسر الكتلي من أسيتات الإيثيلين كوبوليمر الإيثيلين كمواد رابطة.

أثناء التجربة ، بسبب التسامي المباشر للنفثالين إلى غاز ، لم تظهر أي طور سائل أثناء عملية إزالة الترابط ، ولم يتغير حجم العينة. على عكس إزالة الشحوم بالمذيبات ، فإن الطاقة السطحية المستخدمة في طريقة التسامي منخفضة نسبيًا ، مما يعني أنه يمكن تجنب عيوب إزالة الشحوم الشائعة مثل التشوه والتشقق. في النهاية ، كانت الكثافة النسبية للعينة الملبدة 96.6 بالمائة ، ولم يزداد محتوى الكربون.

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

1.2.3 مادة رابطة على أساس البولي أوكسي ميثيلين

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

البولي فورمالدهيد هو المكون الرئيسي لنظام الربط هذا ، ويتم إضافة البولي إيثيلين (PE) تدريجيًا كموثق هيكلي أثناء عملية التطوير اللاحقة.

في الوقت الحاضر ، قامت BASF بتشكيل مواد قولبة بالحقن على أساس نظام الربط هذا ، والتي تغطي العديد من المواد مثل الفولاذ منخفض السبائك ، والفولاذ المقاوم للصدأ ، والصلب المعدني ، وسبائك التيتانيوم والتيتانيوم ، والسيراميك.

السمة المهمة للبولي فورمالدهيد هي حساسيته للكواشف الحمضية وقابليته للتحلل الحمضي. لذلك ، يمكن معالجة الجسم الأخضر في جو حمضي أقل من درجة حرارة التليين. تكون عملية البولي أوكسي ميثيلين في حالة صلبة ، مما يؤدي إلى تجنب العيوب مثل التشققات والتمدد الناجم عن غليان مكونات الموثق. علاوة على ذلك ، فإن التشوه صغير ، والاحتفاظ بالشكل جيد ، والتحكم في الحجم دقيق.

بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لمعدل الانتشار المرتفع ، مقارنة بطرق إزالة الشحوم الأخرى ، فإن معدل إزالة الشحوم أعلى ، حيث 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.

غالبًا ما تستخدم عملية إزالة الترابط التحفيزية بخار حمض النيتريك عالي التآكل كمحفز. من ناحية أخرى ، قد يتحلل البولي فورمالدهيد أثناء تحضير مواد الحقن ومراحل القولبة بالحقن ، مما ينتج عنه فورمالدهيد عالي السمية. علاوة على ذلك ، يجب إزالة نواتج التحلل من خلال احتراق من خطوتين. من ناحية أخرى ، فإن الجو الحمضي الذي يلعب دورًا محفزًا له قدرة أكبر على التآكل للمعدات ، مما يتطلب المزيد من الاستثمار.

1.2.4 مادة رابطة مائية

المذيبات منزوعة الترابط (مثل الهبتان والهكسان) أو منتجات التحلل لمكونات عامل الترابط (مونومرات المركب العطري والفورمالدهيد) المستخدمة في العديد من أنظمة عوامل الترابط المذكورة أعلاه هي أكثر أو أقل ضررًا بالبيئة والمشغلين. لذلك ، فإن تطوير واستخدام أنظمة عوامل ربط المذيبات الصديقة للبيئة له أهمية كبيرة.

يستخدم نظام الربط الحالي الصديق 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 تقريبًا عند 60 درجة مئوية ، مع نطاق وزن جزيئي شائع الاستخدام يبلغ حوالي 500-2000. الموثق الهيكلي الشائع هو بولي ميثيل ميثاكريلات بوزن جزيئي 10000.

Sidambe et al. [21] استخدم مكون رابط قابل للذوبان في الماء من البولي إيثيلين جلايكول بولي ميثيل ميثاكريلات حامض دهني للدراسة بمعدل تحميل مسحوق بنسبة 69 بالمائة.

في التجربة ، تمت إزالة البولي إيثيلين جلايكول تمامًا في الماء عند 55 درجة مئوية بعد 5 ساعات ، وتمت إزالة البولي ميثيل ميثاكريلات تمامًا في تدفق غاز الأرجون المنحل الساخن عند 44 0 درجة مئوية. محتوى الأكسجين النهائي (جزء الكتلة) من العينة المحضرة 0.2 بالمائة ، مع قوة شد مقابلة تبلغ 850-880 ميجا باسكال واستطالة 8.5 بالمائة -16 بالمائة ، وتفي بمعيار ASTM من الدرجة 5 Ti.

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

توكورا وآخرون [22] استخدم أجار لاستبدال مواد رابطة البوليمر في قولبة حقن مسحوق التيتانيوم ودرس الاستقرار الحراري ، وقابلية الذوبان ، ولزوجة مادة الحقن لنظام الربط هذا.

سوزوكي [24] وآخرون. أعدت 97.3 بالمائة من العينات ذات الكثافة النسبية 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 أداء مادة الحقن والشكل الهندسي للمنتج المستهدف.

كما ذكرنا سابقًا ، عادةً ما يكون حجم جزيئات مسحوق التيتانيوم خشنًا ، وهو عرضة لفصل مسحوق الموثق مقارنة بقولبة حقن مادة الفولاذ المقاوم للصدأ. قبل القولبة بالحقن ، يجب تطوير معلمات عملية التشكيل المناسبة بناءً على الخصائص الانسيابية لمادة الحقن لتقليل العيوب في القضبان المشكلة.

وانج وآخرون. [25] تم تحضير مواد القولبة بالحقن باستخدام سبيكة Ti -6 Al -4 V جنبًا إلى جنب مع نظام ربط قائم على شمع المسحوق ، واختبار وتحليل الخصائص الانسيابية لمواد الحقن تحت كميات تحميل ودرجات حرارة مختلفة للمسحوق ، توفير أساس لتطوير معلمات التشكيل المناسبة لعملية القولبة بالحقن.

بارك وآخرون. محضرة مواد الحقن باستخدام مسحوق التيتانيوم البخاخ ، ومسحوق التيتانيوم HDH ، ومسحوق التيتانيوم HDH كروي ، وقياس خصائصها الريولوجية وسلوكها. اقترحوا مؤشر القابلية للتشكيل لمادة الحقن وقيموا أداءها بناءً على ذلك. قدمت نتائج التحليل أساسًا نظريًا للاستخدام المتزامن لمسحوق HDH ومسحوق رذاذ في نظام مواد الحقن.

باريير وآخرون [27] استكشف معلمات العملية المثلى لإنتاج أجزاء معدنية مصبوبة بالحقن بدون عيوب ومع الخصائص الميكانيكية المطلوبة على أساس عمليات المحاكاة التجريبية والرقمية. بناءً على تقنيات النمذجة ، تم استخدام معادلة تدفق ثنائية الطور وخوارزمية صريحة مطورة حديثًا للتنبؤ بظواهر فصل المواد أثناء عملية الحقن باستخدام المحاكاة العددية.

Chen et al. [28] تم استخدام مسحوق Ti -6 Al -4 V مسبوق السبائك المهدرجة ونظام رابط قابل للذوبان في الماء لتحضير مادة حقن ملحوظة ، ثم قاس معدل إزالة مادة البولي إيثيلين جلايكول المكونة للذوبان في الماء في عينات مختلفة السماكات ودرجات حرارة مختلفة. تم إنشاء نموذج رياضي يتم التحكم فيه عن طريق الانتشار لتحديد آلية إزالة الترابط لنظام الموثق.

استخدم Sidambe [29] وآخرون طرق Taguchi لتحديد التركيبة المثلى لدرجات حرارة التلبيد ، والوقت ، ومعدل التسخين ، والجو ، وغيرها من العوامل.

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

أوباسي وآخرون [31] أعدت عينات Ti -6 Al -4 V بخصائص تلبي متطلبات ASTM B 348-02 سبيكة تيتانيوم من الدرجة 23 ، ودرس تأثيرات التغييرات في أنظمة معاملات العملية الأساسية على الحرارة عمليات إزالة الشحوم والتلبيد لمكونات Ti -6 Al -4 V مسحوق MIM.

Limberg et al. [32] أعد Ti -45 Al -5 Nb -0. 2B -0. 2C باستخدام خليط من مساحيق العناصر أثناء عملية التشكيل بالحقن ، ودرس تأثيرات وقت التلبيد والجو على خصائص الشد والبنية المجهرية. تم الحصول على عينة بقوة شد تبلغ حوالي 630 ميجا باسكال.

Guo et al. أعدت [8-9] مواد التيتانيوم الخالص و Ti -6 Al -4 V باستخدام تقنية القولبة بالحقن ، ودرس تأثيرات عمليات المعالجة الحرارية مثل الضغط المتساوي الساكن والتليين على خصائص مادة سبيكة. تم تمييز تأثير المعالجة الحرارية نوعيًا وكميًا من خلال اختبار البنية المجهرية والخواص الميكانيكية ، وتظهر بنيتها المجهرية في الشكل 4.

يتم تحضير مادة حقن الملحوظة عن طريق خلط مسحوق تيتانيوم مذرات ومسحوق تيتانيوم منزوع المهدرجة ونظام ربط قائم على الشمع. بعد القولبة بالحقن ، تتم عملية إزالة الترابط بالمذيبات في خليط من الهبتان والإيثانول. يتم إزالة المادة الرابطة تمامًا بعد التسخين إلى 350 ، 420 ، و 600 درجة مئوية بمعدل تسخين معين ، ودرجة حرارة التلبيد هي 1230 درجة مئوية لمدة 3 ساعات. أخيرًا ، كانت خصائص الشد للعينة الملبدة 389-419 MPa ، والاستطالة كانت 2-4 بالمائة.

أعد أعضاء مجموعتنا البحثية [33] عينات تيتانيوم نقي باستخدام نظام من مسحوق تيتانيوم مضروب وموثق قابل للذوبان في الماء ، ودرسوا تأثيرات درجة حرارة التلبيد ووقت الانتظار على خصائص عينات التيتانيوم النقي. تم إجراء عملية التلبيد في درجة فراغ تبلغ 10-4-10-3 باسكال ، مع درجة حرارة تلبيد تبلغ 1350 درجة مئوية واستطالة بنسبة 20.3 في المائة تم الحصول عليها بعد الاحتفاظ لمدة 3 ساعات. تتوافق العينات تمامًا مع أفضل أداء لتعدين المساحيق لـ ASTM F 2989-13 ، بكثافة نسبية تبلغ 96.9 بالمائة وقوة شد تبلغ 443 ميجا باسكال ، معيار الطب الحيوي من الدرجة الثانية التيتانيوم النقي.

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

2 مواد حقن جديدة من التيتانيوم وسبائك التيتانيوم

تُستخدم سبائك التيتانيوم والتيتانيوم حاليًا على نطاق واسع في جراحة العظام ، ومعدات طب الأسنان ، والغرسات الطبية. ومع ذلك ، نظرًا للاختلاف في الخواص الميكانيكية بين التيتانيوم والعظام البشرية (بمعامل مرن يبلغ حوالي 20 جيجا باسكال) ، يتم إنشاء تأثيرات حماية الإجهاد عند واجهة العظم / الغرسة ، مما قد يضر بالنتائج السريرية طويلة الأجل بشكل كبير ، كما هو موضح في الشكل 5.

لذلك ، قام الباحثون بتعديل الخواص الميكانيكية لمواد التيتانيوم عن طريق تغيير هيكلها وتكوين سبائكها ، مما يجعلها أقرب إلى بنية وأداء العظام الطبيعية في جسم الإنسان.

5 مقارنة معامل المرونة لسبائك التيتانيوم الطبية الحيوية

2.1 مواد التيتانيوم المسامية ومركبات التيتانيوم الخزفية

تتمتع مواد التيتانيوم المسامية ومواد نظام سبائك التيتانيوم الجديدة بهيكل مسام مناسب وخصائص ميكانيكية ، مما يجعلها مواد مثالية للزرع البديل لتقويم العظام.

من ناحية ، يمكن أن يقلل بشكل فعال من عدم تطابق الإجهاد بين الغرسة وأنسجة العظام ، وبالتالي تقليل تأثير الحماية من الإجهاد وتحقيق وظيفة طويلة الأمد وفعالة للزرع ؛ من ناحية أخرى ، تعتبر البنية المسامية شرطًا ضروريًا لنمو الخلايا العظمية في جسم الزرع ، ويمكن للبنية المسامية المترابطة أن تسمح بمرور كمية كبيرة من سوائل الجسم ، مما يعزز نمو خلايا العظام.

Gu et al. شكل نوعًا جديدًا من سبائك TC4 بهيكل مسام مفتوح عن طريق إضافة TiH2 كعامل رغوة ومنشط إلى مسحوق عنصر الفاناديوم التيتانيوم ، مع توزيع موحد لحجم المسام وحجم المسام يتراوح من 90 إلى 190 ميكرومتر. تبلغ المسامية حوالي 43 في المائة ~ 59 في المائة ، ويتراوح معامل المرونة من 5.8 إلى 9.5 جيجا باسكال. المحرك وآخرون. [35] أعدت سبائك تيتانيوم متعددة المسام باستخدام تقنية صب حقن المسحوق (PIM) جنبًا إلى جنب مع تقنية عامل تشكيل المسام ، ودرس تأثير كمية عامل تشكيل المسام بولي ميثيل ميثاكريلات على الكثافة وقوة الانضغاط ومعامل المرونة للسبيكة.

تونجر وآخرون [36] استخدم نظامًا من المسحوق الكروي الصغير ، ومسحوق التيتانيوم HDH ، والموثق القائم على الشمع لدراسة تأثير المسحوق الأولي على أداء منتج التيتانيوم المسامي النهائي عن طريق إضافة كمية معينة من NaCl و KCl كعوامل لتشكيل المسام. علاوة على ذلك ، من خلال تعديل كمية عوامل تشكيل المسام ، تم الحصول على مادة التيتانيوم المسامية مع المسامية وحجم المسام المطلوبين للزرع الطبي ، ويمكن أن يفي التركيب الكيميائي للمادة بمعيار التيتانيوم النقي من الدرجة الثالثة.

Chen et al. [37] يستخدم كلوريد الصوديوم كعامل تشكيل مسام ومادة حقن أساسها شمع مسحوق التيتانيوم منزوع الهيدروجين المهدرج لتحضير عينات مصبوبة بالحقن. العينات التي تم الحصول عليها كان لها مسامية من 42.4 في المئة ~ 71.6 في المئة وحجم المسام 300 ميكرون. كما هو مبين في الشكل 6. من خلال ضبط كمية كلوريد الصوديوم المستخدمة ، يمكن تكوين مسام مترابطة داخل جزء الحقن ، وتكون خواصها الميكانيكية مماثلة لخصائص العظم الإسفنجي.

باربوسا وآخرون. [38] استخدم لأول مرة مسحوق Fe22Cr لاختبار الخصائص الانسيابية لمواد الحقن بأنظمة ربط مختلفة. بناءً على نتائج اختبار الأداء ، تم اختيار نظام ربط مناسب يعتمد على الشمع. بعد ذلك ، تم الجمع بين مسحوق Ti وعامل تشكيل المسام NaCl للضغط الدافئ والقولبة بالحقن متعدد المكونات. بعد إزالة الشحوم والتلبيد ، تم تحضير مكون زرع العمود الفقري ذو اللب الكثيف والتدرج المسامي الخارجي.

6 مكون صب حقن التيتانيوم المسامي باستخدام NaCl 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 ، بسبب هشاشتها العالية وخصائصها الميكانيكية الضعيفة ، لا يمكن استخدام HA كمكون حاملة وحدها ، مما يؤدي إلى ظهور نوع جديد من المواد الطبية الحيوية المكونة من HA ومواد التيتانيوم.

ثيان وآخرون. [{0}} درس تحضير المواد المركبة Ti6Al4V / HA باستخدام طريقة القولبة بالحقن. أولاً ، تم تحضير مسحوق مركب Ti6Al4V / HA باستخدام طريقة ملاط ​​السيراميك. بعد ذلك ، تم خلط المسحوق المحضر مع مادة رابطة تجارية -250 S لتحضير مادة حقن ملحوظة. تم اختبار الخصائص الانسيابية لمادة الحقن ، ودراسة آثار معدل التسخين ومعدل تدفق الغاز في الغلاف الجوي على عيوب إزالة الروابط ، وكمية إزالة المادة الرابطة ، ومحتوى الكربون المتبقي أثناء عملية إزالة الترابط ؛ تأثير معاملات عملية التلبيد (معدل التسخين ، ودرجة حرارة التلبيد ، ووقت الاحتفاظ ، ومعدل التبريد ، وما إلى ذلك) على أداء العينة النهائية ، مما يؤدي إلى مسامية تبلغ حوالي 50 بالمائة من العينة ؛ بالإضافة إلى ذلك ، تم تحليل عملية التحلل البيولوجي لمادة Ti6Al4V / HA المحضرة في بيئة سوائل الجسم وتمييزها من خلال نتائج اختبار الخصائص الميكانيكية.

2.2 مواد سبائك التيتانيوم الجديدة

مجال الطب الحيوي ، باعتباره فرعًا مهمًا لتطبيق مادة التيتانيوم ، يؤثر اتجاه طلب التطبيق بشكل مباشر على اتجاه تطوير مواد التيتانيوم.

تستخدم مواد التيتانيوم المبكرة تيتانيوم نقي يتكون أساسًا من مراحل ، لكن مواد التيتانيوم النقية لها قوة أقل ومقاومة تآكل ضعيفة ، مما يؤدي إلى تطوير مواد عالية القوة وصلابة عالية يمثلها Ti6Al4V و Ti6Al7Nb و Ti5Al2.5Fe بالإضافة إلى سبيكة من النوع A .

أوست وآخرون. [43] نجحت في تصنيع مواد لولبية عظمية ذات أداء ممتاز باستخدام مسحوق Ti6Al7Nb ونظام ربط قائم على الشمع (بارافين بالإضافة إلى PE بالإضافة إلى حمض دهني) ، كما هو موضح في الشكل 7. المادة لها كثافة نسبية تبلغ 97.6 بالمائة ، وقوة شد تبلغ 815 ميجا باسكال ، قوة الخضوع 714 ميجا باسكال ، واستطالة 8.7 بالمائة.

أظهرت نتائج الأبحاث أن عناصر السبائك مثل Al و V في سبائك الفاناديوم التيتانيوم والألومنيوم المستخدمة على نطاق واسع وسبائك التيتانيوم والألومنيوم والنيوبيوم تطلق أيونات Al و V السامة للخلايا بعد دخول الغرسات إلى جسم الإنسان ، مما يتسبب في ضرر لجسم الإنسان.

نتيجة لذلك ، أجرى الباحثون سلسلة من تجارب الجيل الجديد التي تحتوي على عناصر السلامة الحيوية مثل Nb و Ta و Zr و Mo و Sn ، ولكن ليس عناصر Al و V تطوير أنظمة 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 {{15} } ملحوظة -13 Ta -4. 6Zr [44]. نظرًا للقيود المختلفة مثل تقنية تصنيع المسحوق ، فإن أنظمة السبائك هذه لا تستخدم على نطاق واسع في عمليات صب حقن المسحوق.

تشاو وآخرون. [45] استخدم مسحوق التيتانيوم ومسحوق النيوبيوم لتجارب القولبة بالحقن لتحضير سبائك TiNb ثنائية الطور بنجاح بكثافة نسبية تبلغ حوالي 95 بالمائة. من خلال اختبار الخواص الميكانيكية للقضبان الخضراء وأجزاء إزالة الترابط والأجزاء الملبدة ، وكذلك مراقبة ومقارنة البنية المجهرية للأجزاء الملبدة بمحتويات مختلفة من مكونات السبائك ، تم دراسة تأثير محتوى Nb على البنية الدقيقة والخصائص الميكانيكية للسبيكة.

Arokiasamy et al. [46] أعد سبيكة Ti {{1} Fe {2}} Zr بإضافة عناصر Fe و Zr إلى مسحوق تيتانيوم نقي HDH ، وقاس الخواص الميكانيكية للسبيكة. بناءً على نتائج الاختبار ، تم الحصول على آلية المسام المتبقية وتأثير TiC على خصائص مادة السبيكة.

 

الشكل 7Ti6Al7Nb 骨 钉 Ti6Al7Nb برغي عظمي معد بواسطة MIM

3 التوقعات

إن الجاذبية النوعية المنخفضة ، والقوة النوعية العالية ، والتوافق الحيوي الممتاز ، ومقاومة الأكسدة ، والمقاومة الجيدة للتآكل من التيتانيوم وسبائك التيتانيوم لها إمكانات تطوير كبيرة في تطبيقات مثل الفضاء والطبية والكيميائية والسيارات والسلع الاستهلاكية اليومية.

بالمقارنة مع تقنيات المعالجة التقليدية مثل الحدادة ، والصب ، والتشغيل الآلي ، فإن تقنية قولبة الحقن بالمسحوق لها مزايا واضحة ، مثل التركيب الموحد للسبائك ، ومعدل استخدام المواد الخام العالي ، والقدرة الإنتاجية القوية 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 ، إلا أن سلسلة من المشاكل لا تزال بحاجة إلى حل في عملية الإنتاج الصناعي الفعلية ، مثل ارتفاع أسعار المواد الخام عالية الجودة للمساحيق ، وعدم كفاية التحويل والتطبيق من أنظمة سبائك التيتانيوم الجديدة عالية الجودة لتشكيل الحقن ، وصعوبة التحكم في التركيب الكيميائي للمنتج.

بالإضافة إلى ذلك ، مع التطور السريع لتكنولوجيا النظم الدقيقة في السنوات الأخيرة ، يستمر الطلب على المكونات المعقدة الدقيقة المطبقة في النظم الدقيقة في الازدياد. يحتاج قولبة الحقن بالمسحوق إلى التحول من أنواع المنتجات التقليدية إلى المنتجات الدقيقة والتطور إلى تقنية صب حقن البودرة الدقيقة.

في الوقت الحاضر ، تركز تقنية القولبة بالحقن الدقيق في الغالب على أنظمة المواد مثل البوليمرات والفولاذ المقاوم للصدأ ، ولا يزال هناك العديد من المشكلات التي تحتاج إلى الدراسة في قولبة الحقن الجزئي لسبائك التيتانيوم والتيتانيوم.

لذلك ، يجب أن يركز تطوير أبحاث صب حقن التيتانيوم وسبائك التيتانيوم على البحث والتطوير لأنظمة سبائك التيتانيوم الجديدة ، وتطوير تكنولوجيا تحضير مسحوق سبائك التيتانيوم منخفضة التكلفة وعالية الجودة ، ودراسة صب حقن مادة التيتانيوم الدقيقة. مناسبة للأجهزة الدقيقة المعقدة.

مع تعميق البحث في تكنولوجيا التشكيل بالحقن للتيتانيوم وسبائك التيتانيوم ، يُعتقد أن تكنولوجيا صب التيتانيوم وسبائك التيتانيوم بالحقن ستحقق تقدمًا كبيرًا ، وبالتالي تعزيز التطور السريع لصناعة التيتانيوم.