Progresso da pesquisa da tecnologia de moldagem por injeção de pó de metal de liga de titânio e titânio

Progresso da pesquisa da tecnologia de moldagem por injeção de pó de metal de liga de titânio e titânio

--Fonte: CNKI, organizado por: Zhongwei Precision Editor--

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Resumo

Titânio e ligas de titânio possuem baixa gravidade específica, alta resistência específica, excelente biocompatibilidade e boa resistência à corrosão, e possuem grande potencial de aplicação nas áreas aeroespacial, biomédica, química, automotiva e outras.

A tecnologia de moldagem por injeção de metal (MIM) de titânio e pó de metal de liga de titânio pode realizar a preparação em massa e de baixo custo de produtos de titânio de pequeno e médio porte com formas complexas, o que é de grande importância para promover a produção e aplicação de titânio e titânio produtos de liga.

Este artigo apresenta as características e vantagens da moldagem por injeção de pó metálico de titânio e ligas de titânio, resume o progresso da pesquisa da tecnologia de moldagem por injeção de pó metálico de titânio e ligas de titânio a partir de matérias-primas em pó, sistema aglutinante, moldagem por injeção de pó, descolagem e sinterização, e analisa a direção de pesquisa e as perspectivas de desenvolvimento da moldagem por injeção de pó metálico de titânio e ligas de titânio de acordo com os principais problemas atuais.

Palavras-chave Titânio; Liga de titânio; Moldagem por injeção; Classificação do progresso da pesquisa nº TF125.2; TF125.2 mais 2

Desde a década de 1840, quando as pessoas dominavam o método de produção industrial de obtenção de titânio metálico a partir de minérios, titânio e ligas de titânio têm sido amplamente utilizados em instalações industriais e comerciais. No entanto, em comparação com o aço, sua produção anual ainda é pequena e, devido ao alto custo das matérias-primas, seu escopo de aplicação é principalmente limitado à indústria naval, indústria química, indústria aeroespacial, dispositivos médicos, implantes e artigos de luxo e outras indústrias com altos requisitos de desempenho do material.

Atualmente, além do alto preço das matérias-primas, a dificuldade no processamento e formação de titânio e ligas de titânio também limita muito seu escopo de aplicação.

A usinabilidade de titânio e ligas de titânio é pobre. O método de usinagem tradicional é caro para processar equipamentos e baixa eficiência de processamento, o que aumenta muito o custo de processamento; As estruturas de peças de titânio que podem ser usinadas são muito simples, e a maioria delas não consegue atingir o esquema de projeto que pode dar jogo ao ótimo desempenho dos materiais devido às limitações dos métodos de processamento.

Neste contexto, a moldagem por injeção de metal (MIM), que tem as vantagens de alta taxa de utilização de matérias-primas e baixo custo de produção em lote, tornou-se um processo ideal de processamento de titânio e ligas de titânio [1 – 4].

O processo de moldagem por injeção de pó metálico geralmente inclui vários processos básicos, como preparação do material de injeção, moldagem por injeção, descolagem, sinterização e pós-tratamento necessário.

Conforme mostrado na Figura 1, o pó de metal e os componentes do ligante orgânico são misturados, misturados e granulados para preparar o material de injeção e, em seguida, o material de injeção é injetado no molde a uma determinada temperatura e pressão. Após o resfriamento, o produto verde com uma forma específica é obtido por desmoldagem, e então todos os componentes orgânicos, exceto o pó metálico no verde, são removidos pelo processo de descolagem para se tornar o verde descolado e, finalmente, o produto com o desempenho necessário é obtido por sinterização.

A tecnologia de moldagem por injeção de pó metálico realiza a combinação orgânica de moldagem por injeção e tecnologia tradicional de metalurgia do pó, supera as deficiências do alto custo do processo de usinagem, forma simples do processo de moldagem tradicional, baixa eficiência de produção de prensagem isostática e processo de moldagem por injeção, muitos defeitos de fundição tradicional processo, precisão de baixa tolerância e promove grandemente a produção e aplicação de produtos de titânio e ligas de titânio (como mostrado na Figura 2).

Fig. 1 Fluxograma do processo de moldagem por injeção de pó de titânio e liga de titânio

Fig.1 Fluxograma de titânio e ligas de titânio fabricadas pela MIM

Fig. 2 Exemplos de aplicação de moldagem por injeção de pó metálico de titânio e liga de titânio desenvolvido em conjunto pela Zhongwei Precision e Pequim em 2002, e a produção em massa foi alcançada em 2004

Fig. 2 Aplicação de titânio e liga de titânio fabricada pela MIM

Este artigo apresenta as características e vantagens da moldagem por injeção de pó metálico de titânio e liga de titânio, resume o progresso da pesquisa da tecnologia de moldagem por injeção de pó metálico de liga de titânio e titânio a partir de matérias-primas em pó, sistemas de aglutinantes comumente usados, moldagem por injeção, descolagem e sinterização e análises a direção de pesquisa de moldagem por injeção de pó metálico de titânio e liga de titânio em vista dos principais problemas atuais.

Status de pesquisa de moldagem por injeção de pó de metal de liga de titânio e titânio

A pesquisa mostra que as propriedades mecânicas, resistência à corrosão e propriedades biomédicas dos produtos moldados por injeção de titânio e ligas de titânio são muito afetadas pela densidade relativa, teor de impurezas, elementos de liga e microestrutura.

Após a sinterização, a densidade relativa dos produtos moldados por injeção é de cerca de 95%, e haverá uma certa proporção de poros residuais.

Esses poros residuais se tornarão a fonte de trincas quando a amostra quebrar e terão um grande impacto na resistência à tração, ductilidade, tenacidade à fratura, resistência à fadiga e outras propriedades mecânicas do material. Portanto, quanto maior a densidade relativa dos produtos moldados por injeção de titânio e liga de titânio, melhores suas propriedades mecânicas.

Impurezas como oxigênio, carbono, nitrogênio, hidrogênio, etc., especialmente oxigênio, melhorarão a resistência ao escoamento, a resistência à tração e a dureza dos materiais e reduzirão a ductilidade. As impurezas são dissolvidas na matriz de titânio na temperatura de sinterização. Como não há agente redutor eficaz, é difícil controlar as impurezas do titânio e das ligas de titânio durante o processo de sinterização, por isso é necessário reduzir ao máximo a quantidade de oxigênio adicionada nas matérias-primas e em cada processo subsequente.

A microestrutura de titânio e ligas de titânio, incluindo tamanho de grão e composição de fase após a sinterização, afetará as propriedades mecânicas dos materiais. Em uma palavra, titânio moldado por injeção e materiais de liga de titânio com excelente desempenho possuem alta densidade, baixo teor de impurezas (geralmente teor de oxigênio), composição de liga adequada, grãos finos e poucos defeitos durante a densificação [5].

1.1 Matérias-primas em pó

A seleção de matérias-primas em pó é uma etapa importante no processo de moldagem por injeção de pó de titânio. A distribuição do tamanho das partículas e a morfologia do pó afetam diretamente a fluidez e a conformabilidade do material de injeção, a retenção da forma do corpo verde durante o processo de descolagem e a retração durante o processo de sinterização.

Atualmente, os métodos de preparação comumente usados ​​de titânio e pó de liga de titânio incluem o método mecânico e o método de atomização.

A forma do pó produzido por moagem mecânica (como moagem de esferas, moagem de esferas com agitação, moagem de esferas de vibração de alta energia e moagem de fluxo de ar) é geralmente irregular ou angular.

O processo de hidrogenação desidrogenação (HDH) é aproveitar a fragilidade óbvia do titânio após a absorção do hidrogênio, triturá-lo por moagem mecânica ou britagem por fluxo de ar e, em seguida, desidrogená-lo para obter pó de titânio com formato irregular, conforme mostrado na Figura 3 (a) . O método de atomização (como atomização de gás inerte, atomização de eletrodo rotativo de feixe de plasma e atomização de gás de fusão por indução de eletrodo) pode ser realizado em uma atmosfera completamente inerte, de modo a manter a alta pureza do pó bruto. O pó é de forma esférica, com uma distribuição de tamanho de partícula bastante ampla e bom desempenho de empilhamento, conforme mostrado na Figura 3 (b).

Além disso, ao contrário da tecnologia de produção de pó de aço, é difícil produzir pó de titânio com tamanho de partícula mais fino. Com a diminuição do tamanho das partículas, a área de superfície específica aumenta e o teor de impurezas também aumenta.

Geralmente, o tamanho de partícula do pó de titânio usado pelo MIM é inferior a 45 μm. Quando as partículas de pó são muito grandes, o processo de injeção é propenso a produzir a separação do ligante em pó, formando defeitos, que precisam ser totalmente considerados no projeto de composição de materiais de injeção e projeto de molde [5].

Fig. 3 Pó de titânio hidrodesidrogenado (a) e pó de titânio aerossol (b) para moldagem por injeção

Fig.3 HDH (a) e pó de titânio atomizado a gás (b) usado em MIM

1.2 Aglutinante

O aglutinante é um transportador que existe em etapas ao longo do processo de moldagem por injeção. Sua principal função é fazer com que o pó preencha o molde uniformemente em um estado fluido, forme a forma desejada e mantenha-o na fase de pré-sinterização.

No processo de moldagem por injeção, o ligante deve apresentar as seguintes características: baixo ponto de fusão, boa molhabilidade às partículas de pó e cura rápida, o que é conveniente para a preparação de materiais de injeção; Possui boa fluidez à temperatura de injeção; Após a formação, pode ser facilmente removido do corpo verde e há menos resíduos. Os produtos de decomposição são atóxicos e não corrosivos.

De um modo geral, o componente aglutinante deve incluir pelo menos o componente principal e o componente secundário:

O componente principal é usado para molhar as partículas de pó metálico e fornecer a fluidez necessária, enquanto o componente secundário garante que o corpo verde de injeção ainda tenha resistência suficiente durante o processo de injeção e após a remoção do componente principal do ligante.

Na maioria dos casos, o sistema aglutinante possui um terceiro componente, como o surfactante, para melhorar a compatibilidade entre pós metálicos e polímeros.

De acordo com os diferentes componentes principais nos componentes aglutinantes, os sistemas aglutinantes comumente usados ​​podem ser divididos em sistemas à base de cera, sistemas à base de compostos aromáticos, sistemas à base de paraformaldeído e sistemas à base de água.

1.2.1 Aglutinante à base de cera

As ceras comumente usadas de adesivos de sistema à base de cera são cera de parafina, cera de abelha, cera de palma e outros polímeros de cadeia curta. Possuem baixo ponto de fusão, boa molhabilidade, cadeia molecular curta, baixa viscosidade e têm menor variação de volume do que outros polímeros durante a decomposição, o que é propício para garantir a precisão dimensional dos produtos.

Os componentes secundários comumente usados ​​em sistemas à base de cera incluem polipropileno, polietileno, copolímero de etileno acetato de vinila e polimetilmetacrilato de alto peso molecular. Além da cera e do aglutinante esqueleto, geralmente é adicionado um tensoativo, como o ácido esteárico, para melhorar a compatibilidade entre o pó e o polímero.

O sistema aglutinante à base de cera relatado pela primeira vez na literatura é que Kaneko et al.

Kato et ai. [7] estudaram o processo de descolagem em duas etapas combinando a descolagem a vácuo e a descolagem em atmosfera de argônio, o que reduziu significativamente o teor de carbono e oxigênio nas peças sinterizadas.

Guo et ai. [8 – 9] desenvolveram um sistema ligante parafina – polietilenoglicol – polietileno – polipropileno – ácido esteárico utilizando polietilenoglicol com melhor molhabilidade para substituir parte da parafina, e o utilizaram na moldagem por injeção de titânio puro e liga de titânio alumínio vanádio. As peças sinterizadas têm boa retenção de forma e pouca movimentação. Devido à redução do teor de oxigênio e carbono, o desempenho também foi bastante aprimorado, resultando em melhor desempenho.

Além disso, alguns pesquisadores usaram cera de palma para substituir parcialmente a cera de parafina [10 – 13] e óleo de palma para substituir completamente a cera de parafina [14] no sistema aglutinante à base de cera, com bom efeito de formação. No entanto, como o elemento oxigênio contido na própria cera de palma também é uma fonte de aumento de oxigênio, o teor de carbono e oxigênio do produto final é ligeiramente maior e suas propriedades mecânicas não são tão boas quanto as do sistema de parafina.

O melhor sistema aglutinante à base de cera relatado na literatura foi proposto por Friederici et al. [15]. Durante o experimento, quatro tipos de proporções de ligantes foram formados ajustando a proporção de parafina, polietileno de baixa densidade e ácido esteárico, e então foram realizados os processos de formação, descolagem e sinterização de diferentes materiais de injeção. Foram obtidas amostras com densidade relativa de 98,1 por cento e composição química que atende aos requisitos de titânio puro secundário.

O sistema aglutinante à base de cera desempenha um papel importante na moldagem por injeção. No entanto, devido à baixa eficiência de desengorduramento do solvente orgânico usado para descolagem de solventes do sistema aglutinante à base de cera, os pesquisadores continuam inovando nesta base e desenvolvendo novos sistemas aglutinantes.

1.2.2 Aglutinante à base de compostos aromáticos

Compostos aromáticos (como naftaleno, antraceno, etc.) podem ser dissolvidos a uma temperatura muito baixa. Sob condições de baixa pressão, eles podem ser transformados diretamente de sólido para gás por sublimação a uma temperatura inferior ao seu ponto de fusão. O uso de compostos aromáticos como componentes aglutinantes pode melhorar muito a eficiência do processo de descolagem.

Weil et ai. [16 – 18] usaram compostos aromáticos na moldagem por injeção de pó metálico de titânio. Na pesquisa, naftaleno, 1% de ácido esteárico e 3% ~ 12% de copolímero de acetato de vinil foram usados ​​como agentes de ligação para preparar ligas de titânio alumínio vanádio densas e porosas.

Durante o experimento, devido à sublimação direta do naftaleno em gás, não houve fase líquida no processo de descolagem, o volume da amostra não se alterou e, diferentemente do desengorduramento com solvente, a energia superficial envolvida no método de sublimação foi baixa, o que significou que defeitos comuns de desengorduramento, como deformação e rachaduras, podem ser evitados. Os resultados mostraram que a densidade relativa das amostras sinterizadas foi de 96,6 por cento e o teor de carbono não aumentou.

Embora o sistema aglutinante tenha alcançado excelente desempenho do produto, os compostos aromáticos no sistema ainda terão impacto no meio ambiente e na saúde, e não foram estudados posteriormente ou aplicados em larga escala.

1.2.3 Aglutinante à base de poliformaldeído

O poliformaldeído foi usado pela primeira vez no sistema aglutinante pela Celanese Corp em 1984 e depois desenvolvido pela BASF, tornando possível que os componentes aglutinantes não contenham cera e componentes de baixo peso molecular [19].

O poliformaldeído é o principal componente do sistema aglutinante, e o polietileno (PE) é gradualmente adicionado como aglutinante do esqueleto no processo de desenvolvimento posterior.

Atualmente, a BASF formou materiais de moldagem por injeção que abrangem aço de baixa liga, aço inoxidável, aço ferramenta, titânio, ligas de titânio e cerâmica com base neste sistema de ligante.

A característica marcante do POM é que ele é sensível a reagentes ácidos e de fácil decomposição ácida. Portanto, os tarugos verdes podem ser tratados em uma atmosfera ácida inferior à sua temperatura de amolecimento. Nesse processo, o polioximetileno fica no estado sólido, evitando os defeitos como trincas e dilatações causadas pela ebulição dos componentes do ligante. Além disso, os tarugos verdes têm pequena deformação, boa retenção de forma e controle de tamanho preciso.

Além disso, devido à grande taxa de difusão, em comparação com outros métodos de desengorduramento, a taxa de desengorduramento é mais elevada, podendo chegar a 10 vezes a taxa de descolagem de solvente tradicional, permitindo ao mesmo tempo uma descolagem de tamanho mais espesso [20].

Embora o sistema aglutinante à base de polioximetileno tenha muitas vantagens acima, também tem muitas desvantagens.

O vapor de ácido nítrico altamente corrosivo é comumente usado como catalisador no processo de descolamento catalítico. Por um lado, o polioximetileno pode se decompor durante a preparação e moldagem por injeção dos materiais de injeção no estágio inicial, produzindo formaldeído altamente tóxico, e os produtos de decomposição precisam ser removidos por meio de combustão em duas etapas. Por outro lado, a atmosfera ácida desempenhando um papel catalítico é altamente corrosiva para o equipamento, exigindo maior investimento.

1.2.4 Aglutinante à base de água

Os solventes descolantes (tais como heptano e hexano) ou os produtos de decomposição dos componentes aglutinantes (monômero composto aromático e formaldeído) usados ​​nos vários sistemas aglutinantes acima mencionados são mais ou menos prejudiciais ao meio ambiente e aos operadores. Portanto, é de grande importância desenvolver e utilizar o sistema aglutinante com solventes ecologicamente corretos.

Os sistemas de aglutinantes ecológicos existentes usam água como solvente de descolagem.

De acordo com os diferentes papéis da água na preparação de materiais de injeção, este tipo de sistema aglutinante pode ser dividido em gel e não gel.

O polímero comum utilizado em sistemas não baseados em gel é o polietilenoglicol, que apresenta bom desempenho, é barato e de fácil obtenção. O polietileno glicol de baixo peso molecular pode ser removido rápida e completamente a 60 graus C, e o peso molecular do polietileno glicol comumente usado é de cerca de 500 ~ 2000. O aglutinante de esqueleto comumente usado é o polimetilmetacrilato com um peso molecular de 10.000.

Sidambe et ai.

No experimento, o polietilenoglicol foi completamente removido em água a 55 graus C após 5 horas, e o polimetilmetacrilato foi completamente removido em fluxo de argônio descolando a quente a 440 graus C. O teor final de oxigênio (fração de massa) da amostra preparada é de 0,2 por cento, a resistência à tração correspondente é de 850 ~ 880 MPa e o alongamento é de 8,5 por cento ~ 16 por cento, atendendo ao padrão ASTM grau 5 Ti.

A maioria dos aglutinantes à base de gel são substâncias naturais, como celulose, ágar-amido, etc.

Tokura [22] et al. usou ágar para substituir aglutinante de polímero na moldagem por injeção de pó de titânio e estudou a estabilidade térmica, solubilidade e viscosidade do sistema aglutinante.

O Metal Powder Report (MPR) [23] relatou um estudo sobre a produção de implantes dentários de liga de titânio usando um ligante à base de ágar, que consiste em materiais de reforço de ágar, água e gel.

Suzuki [24] et al. preparou 97,3 por cento de amostras com densidade relativa usando agar (peso molecular 82 500) ligante contendo 4 por cento de fração de massa. As frações de massa de carbono e oxigênio das amostras são 0,33 por cento e 0,3 por cento, respectivamente. A resistência ao escoamento é de 539 MPa e o alongamento é de cerca de 10%. Os resultados experimentais mostram que quando se utiliza ágar de alto peso molecular, a resistência do gel aumenta, mas o teor residual de carbono e oxigênio é alto, resultando em menor densidade de sinterização, resistência à tração e alongamento das peças sinterizadas.

O aglutinante à base de água não gel é fácil de controlar, o equipamento de desengorduramento é mais barato que outros métodos de desengorduramento, e o aglutinante é biodegradável e não tóxico para microrganismos, mas o tratamento de águas residuais para desengorduramento requer custos adicionais.

É difícil controlar o tamanho das peças finais produzidas pelo composto de moldagem por injeção do sistema aglutinante à base de gel, e a composição não é estável o suficiente, portanto, as condições do processo e o controle de qualidade são difíceis, e ainda são necessárias mais pesquisas e otimização.

1.3 Moldagem por injeção, descolagem e sinterização

Os parâmetros do processo de moldagem por injeção são determinados pelas propriedades do composto de injeção e pela geometria do produto alvo.

Como mencionado acima, o tamanho de partícula do pó de titânio é geralmente relativamente grosso, o que é fácil de causar a separação do aglutinante em pó em comparação com a moldagem por injeção de materiais de aço inoxidável. Antes da moldagem por injeção, os parâmetros apropriados do processo de moldagem devem ser formulados de acordo com as propriedades reológicas dos materiais de injeção para reduzir os defeitos nos corpos verdes moldados.

Wang et ai.

Park [26] et al. prepararam os materiais de injeção com pó de titânio aerossolizado, pó de titânio HDH e pó de titânio HDH esferoidizado, mediu suas propriedades reológicas e comportamento de descolagem, propôs o índice de conformabilidade dos materiais de injeção e avaliou as propriedades dos materiais de injeção com base nisso. Os resultados da análise forneceram uma base teórica para o uso simultâneo de pó HDH e pó aerossolizado no sistema de materiais de injeção.

Barriere [27] e outros discutiram os parâmetros ótimos do processo para a produção de peças metálicas injetadas sem defeitos e com propriedades mecânicas exigidas com base no processo de simulação experimental e numérica. Com base na tecnologia de modelagem, eles usaram equações de fluxo de duas fases e um algoritmo explícito recém-desenvolvido para prever o fenômeno de separação de materiais no processo de injeção usando simulação numérica.

Chen [28] et al. usaram pó de pré-liga hidrogenado desidrogenado – 6Al – 4V e sistema aglutinante solúvel em água para preparar alimentação de comentários, depois mediu a taxa de remoção do componente aglutinante solúvel em água polietilenoglicol em amostras de espessura diferente em diferentes temperaturas, estabeleceu um modelo matemático de descolagem controlada por difusão , e determinou o mecanismo de descolamento do sistema ligante.

Sidambe [29] et al. usou o método de Taguchi para determinar a melhor combinação de temperatura de sinterização, tempo, taxa de aquecimento, atmosfera e outros parâmetros.

Nem et ai. [30] prepararam o material de injeção de Ti – 6Al – 4V usando éster de palma duro e sistema aglutinante de polietileno e formularam o processo de produção ideal usando o método Taguchi. Por fim, obteve-se uma amostra com limite de escoamento de 934,4 MPa e alongamento de 10%, e seu desempenho geral atendeu aos requisitos da liga de titânio médico ASTM B348-02.

Obasi et al. [31] prepararam amostras de Ti – 6Al – 4V com propriedades que atendem aos requisitos da liga de titânio ASTM B348 – 02 grau 23 e estudaram a influência de mudanças no sistema de parâmetros básicos do processo no processo de desengorduramento térmico e sinterização de Ti – 6Al – 4V componentes MIM em pó.

Limberg et ai. [32] preparou Ti – 45Al – 5Nb – 0.2B – 0.2C misturando pós simples no processo de moldagem por injeção, estudou os efeitos do tempo de sinterização e atmosfera de sinterização nas propriedades de tração e microestrutura, e obteve amostras com resistência à tração de cerca de 630MPa.

Guo et ai. [8 - 9] prepararam materiais de titânio puro e Ti - 6Al - 4V por tecnologia de moldagem por injeção, estudaram a influência de processos de tratamento térmico, como prensagem isostática a quente e recozimento nas propriedades de materiais de liga, e caracterizaram qualitativa e quantitativamente o efeito do tratamento térmico por meio de testes de propriedades mecânicas de microestrutura. Sua microestrutura é mostrada na Figura 4.

A alimentação de observação é preparada misturando pó de titânio atomizado, pó de titânio desidrogenado hidrogenado e sistema aglutinante à base de cera. Após a moldagem por injeção, é descolada no solvente na mistura de heptano e etanol. Depois de aquecer até 350, 420 e 600 graus C a uma determinada taxa de aquecimento, o aglutinante é completamente removido pela preservação do calor. A temperatura de sinterização é de 1230 graus C, e a preservação do calor é de 3 h. Finalmente, as propriedades de tração das amostras sinterizadas são 389~419 MPa, e o alongamento é de 2% ~4%.

Membros do grupo de pesquisa [33] prepararam amostras de titânio puro usando pó de titânio em aerossol e sistema aglutinante solúvel em água, estudaram os efeitos da temperatura de sinterização e tempo de espera nas propriedades de amostras de titânio puro. O processo de sinterização foi realizado sob vácuo de 10-4~10-3 Pa, a temperatura de sinterização foi de 1350 graus C, e o alongamento foi de 20,3 por cento após 3 horas, o que está totalmente em conformidade com ASTM F{{8 }}, a amostra com o melhor desempenho em metalurgia do pó, a densidade relativa foi de 96,9 por cento e a resistência à tração foi de 443 MPa, padrão de titânio puro grau II biomédico.

Fig. 4 Microestrutura de amostras de titânio puro (a) e liga de titânio alumínio vanádio (b) preparadas com injeção de aglutinante à base de cera

Fig.4 Microestruturas de Ti (a) e Ti-6Al-4V (b) amostras preparadas por matérias-primas à base de cera

2 Novos materiais de moldagem por injeção de titânio e liga de titânio

Atualmente, o titânio e as ligas de titânio são amplamente utilizados em cirurgia ortopédica, instrumentos relacionados à estomatologia e implantes médicos. No entanto, devido à diferença entre as suas propriedades mecânicas e as propriedades mecânicas do osso humano (módulo de elasticidade de cerca de 20 GPa), ocorrem efeitos de stress shielding na interface osso/implante, o que pode levar a uma redução significativa dos efeitos clínicos a longo prazo, uma vez que mostrado na Figura 5.

Portanto, os pesquisadores ajustaram as propriedades mecânicas dos materiais de titânio alterando a estrutura e a composição da liga dos materiais de titânio para torná-los mais próximos da estrutura e do desempenho dos ossos naturais humanos.

Fig. 5 Comparação do módulo elástico de materiais comuns de liga de titânio médico

Fig.5 Comparação do módulo de elasticidade de ligas de titânio biomédicas

2.1 Materiais porosos de titânio e titânio  compósitos cerâmicos

Os materiais porosos de titânio e os novos materiais do sistema de liga de titânio têm estrutura de poros e propriedades mecânicas adequadas e são materiais ideais para implantes ortopédicos.

Por um lado, pode reduzir eficazmente a incompatibilidade de tensão entre o implante e o tecido ósseo, reduzindo assim o efeito de blindagem de tensão e realizando a função permanente e eficaz do implante; Por outro lado, a estrutura porosa é uma condição necessária para o crescimento das células ósseas até o corpo do implante. A estrutura porosa interconectada pode permitir a passagem de uma grande quantidade de fluido corporal, o que pode promover ainda mais o crescimento das células ósseas.

Gu [34] et al. formou uma nova liga TC4 com estrutura de poros abertos adicionando TiH2 como agente espumante e ativador ao pó elementar de titânio alumínio vanádio, com distribuição uniforme de tamanho de poro de 90 ~ 190 μ m. A porosidade é de cerca de 43 por cento ~ 59 por cento, e o módulo de elasticidade é de 5,8 ~ 9,5 GPa. Motor et ai. [35] prepararam liga de titânio microporosa por moldagem por injeção de pó (PIM) combinada com a tecnologia de agente formador de poros, e estudaram a influência da quantidade de agente formador de poros polimetilmetacrilato na densidade, resistência à compressão e módulo de elasticidade da liga.

Tuner e outros

Chen [37] et al. usaram NaCl como agente formador de poros e material de injeção à base de cera em pó de titânio desidrogenado hidrogenado para preparar amostras moldadas por injeção. A porosidade das amostras obtidas foi de 42,4% ~71,6%, e o diâmetro dos poros atingiu 300 μm. Conforme mostrado na Figura 6. Ajustando a quantidade de NaCl, um orifício de conexão pode ser formado na peça de injeção, e suas propriedades mecânicas são semelhantes às do osso esponjoso.

Barbosa et ai.

Fig. 6 Componente poroso de moldagem por injeção de titânio preparado com NaCl como agente formador de poros

Fig.6 Componente de moldagem por injeção de titânio poroso usando NaCl como suporte de espaço

A hidroxiapatita (HA), com a mesma composição química e estrutura cristalina do tecido ósseo natural humano, apresenta vantagens únicas na substituição e reconstrução óssea e começou a desempenhar um papel cada vez mais importante em dispositivos biomédicos.

No entanto, o AH é quebradiço e possui propriedades mecânicas ruins, portanto, não pode ser usado como componente de suporte de carga sozinho. Portanto, surgiu um novo material biomédico composto por materiais de HA e titânio.

Thian et ai. [39  42] estudaram a preparação de compósitos Ti6Al4V/HA por moldagem por injeção. Primeiramente, o pó composto de Ti6Al4V/HA foi preparado pelo processo de pasta cerâmica e, em seguida, o pó preparado foi misturado com o ligante comercial PAN-250S para preparar as observações. As propriedades reológicas da mistura de injeção foram testadas, e os efeitos da taxa de aquecimento e da vazão de gás da atmosfera de descolagem foram estudados sobre os defeitos da peça de descolagem, a quantidade de ligante removido e o teor de carbono residual no processo de descolagem. ; A influência dos parâmetros do processo de sinterização (taxa de aquecimento, temperatura de sinterização, tempo de espera, taxa de resfriamento, etc.) nas propriedades da amostra final, a porosidade da amostra preparada é de cerca de 50 por cento; Além disso, o processo de degradação biológica do material Ti6Al4V/HA preparado no ambiente do fluido corporal foi analisado e caracterizado pelos resultados dos testes de propriedades mecânicas.

2.2 Novos materiais de liga de titânio

O campo biomédico é um ramo importante da aplicação de materiais de titânio, e sua direção de demanda de aplicação afeta diretamente a tendência de desenvolvimento de materiais de titânio.

Os primeiros materiais de titânio eram titânio puro (fase), mas a resistência dos materiais de titânio puro é baixa e a resistência ao desgaste é baixa, desenvolvendo assim alta resistência e tenacidade, representadas por Ti6Al4V, Ti6Al7Nb e Ti5Al2.5Fe plus tipo liga.

Aust et ai. [43] fabricaram com sucesso materiais para parafusos ósseos com excelente desempenho usando pó de Ti6Al7Nb e sistema aglutinante à base de cera (parafina mais PE mais ácido esteárico), conforme mostrado na Figura 7. Sua densidade relativa é de 97,6%, resistência à tração é de 815 MPa, limite de escoamento 714 MPa, e o alongamento é de 8,7%.

Os resultados da pesquisa mostram que Al, V e outros elementos de liga em liga de titânio alumínio vanádio e liga de titânio alumínio nióbio, que são amplamente utilizados no momento, liberarão íons citotóxicos Al, V após o implante entrar no corpo humano, causando danos ao corpo humano .

Como resultado, os pesquisadores realizaram uma série de testes de biossegurança de nova geração que contêm Nb, Ta, Zr, Mo, Sn e outros elementos de biossegurança, mas não elementos Al, V Desenvolvimento de sistema de liga de titânio.

As ligas de titânio biológicas atualmente desenvolvidas e pesquisadas incluem principalmente Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr e Ti-29) Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Devido às limitações da tecnologia de fabricação de pó e outros aspectos, esses sistemas de liga raramente são usados ​​na moldagem por injeção de pó.

Zhao et ai.

Arokiasamy et al. [46] prepararam a liga Ti  5Fe  5Zr adicionando elementos Fe e Zr ao pó de titânio puro HDH e mediram as propriedades mecânicas da liga. Com base nos resultados dos testes, obteve-se o mecanismo da influência da porosidade residual e do TiC nas propriedades dos materiais de liga.

Fig. 7 Moldagem por injeção de pó metálico

Fig. 7 Parafuso ósseo Ti6Al7Nb preparado pelo processo de moldagem por injeção de metal Parafuso ósseo Ti6Al7Nb MIM produzido pela Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

3 Perspectivas

Titânio e ligas de titânio têm grande potencial de desenvolvimento em aplicações aeroespaciais, médicas, químicas, automotivas e de bens de consumo devido à sua baixa gravidade específica, alta resistência específica, excelente biocompatibilidade e resistência à oxidação e boa resistência à corrosão.

Em comparação com as tecnologias de processamento tradicionais, como forjamento, fundição e usinagem, a tecnologia de moldagem por injeção de pó tem vantagens óbvias, composição de liga uniforme, alta taxa de utilização de matérias-primas e forte capacidade de produção para grandes quantidades de peças de formato complexo, o que pode promover muito o produção e aplicação de produtos de titânio e ligas de titânio.

Embora alguns avanços tenham sido feitos na pesquisa da moldagem por injeção de titânio e ligas de titânio, uma série de problemas ainda precisam ser resolvidos no próprio processo de produção industrial, como o alto preço das matérias-primas em pó de alta qualidade, a aplicação insuficiente de novos sistema de liga de titânio de alta qualidade para moldagem por injeção, e a dificuldade em controlar a composição química dos produtos.

Além disso, com o rápido desenvolvimento da tecnologia de microssistemas nos últimos anos, a demanda por componentes microcomplexos usados ​​em microssistemas está aumentando, e a moldagem por injeção de pó precisa ser transferida de tipos de produtos tradicionais para microprodutos e desenvolvida em micro moldagem por injeção de pó tecnologia.

Atualmente, a tecnologia de moldagem por microinjeção concentra-se principalmente em polímeros, aço inoxidável e outros sistemas de materiais. Ainda há muitos problemas a serem estudados na micro moldagem por injeção de titânio e ligas de titânio.

Portanto, o desenvolvimento da pesquisa de moldagem por injeção de titânio e liga de titânio deve se concentrar na pesquisa e desenvolvimento de novos sistemas de liga de titânio, no desenvolvimento de tecnologia de preparação de pó de liga de titânio de baixo custo e alta qualidade e na pesquisa de micro moldagem por injeção de material de titânio para dispositivos microcomplexos.

Com a pesquisa aprofundada sobre a tecnologia de moldagem por injeção de titânio e ligas de titânio, acredita-se que a tecnologia de moldagem por injeção de titânio e ligas de titânio fará um grande progresso e, em seguida, promoverá o rápido desenvolvimento da indústria de titânio