Tecnologia de moldagem por injeção de pó de titânio e liga de titânio

Tecnologia de moldagem por injeção de pó de titânio e liga de titânio

 

A Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. alcançou a produção em massa por meio de pesquisa e desenvolvimento contínuos, inovação, testes, processos de moldagem por injeção de metal de titânio e liga de titânio em 2008. Se houver clientes em necessidade, envie um e-mail: business- mall@zw-jm.com Entregue-o à nossa empresa e engenheiros profissionais responderão a você em tempo hábil no menor dia útil,

Resumo

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

A tecnologia de moldagem por injeção de pó de metal de titânio e liga de titânio (MIM) pode alcançar a preparação em grande escala e baixo custo de produtos de titânio de formato complexo de pequeno e médio porte, o que é de grande importância para promover a produção e aplicação de produtos de titânio e liga de titânio .

Este artigo apresenta as características e vantagens da moldagem por injeção de pó metálico de titânio e ligas de titânio. Ele resume o progresso da pesquisa da tecnologia de moldagem por injeção de pó de titânio e liga de titânio a partir dos aspectos de matérias-primas em pó, sistemas aglutinantes, moldagem por injeção de pó, descolagem e sinterização. Em resposta aos principais problemas existentes atualmente, analisa o direcionamento da pesquisa e as perspectivas de desenvolvimento da moldagem por injeção de pó metálico de titânio e ligas de titânio.

Palavras-chave titânio; Liga de titânio; Moldagem por injeção; Número de classificação do progresso da pesquisa TF125.2; TF125.2 mais 2

(Nota do editor: introdução em inglês omitida...)

Desde que o método de produção industrial de obtenção de titânio metálico a partir do minério foi dominado na década de 1840, o titânio e as 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 limitado principalmente à indústria naval, indústria química, indústria aeroespacial, dispositivos médicos, implantes, artigos de luxo e outras indústrias. com altos requisitos de desempenho do material.

Atualmente, além dos altos preços das matérias-primas, a dificuldade de processar e formar titânio e ligas de titânio limita muito seu escopo de aplicação.

A usinabilidade do titânio e das ligas de titânio é ruim, e os métodos de usinagem tradicionais possuem equipamentos caros e baixa eficiência de processamento, aumentando muito seus custos de processamento; A estrutura das peças de titânio que podem ser usinadas é muito simples e, devido às limitações dos métodos de processamento, a maioria delas não consegue soluções de design que possam maximizar o desempenho do material.

Nesse contexto, a moldagem por injeção de metal (MIM), que tem as vantagens de alta utilização de matéria-prima 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 de metal geralmente inclui vários processos básicos, como preparação do material de injeção, moldagem por injeção, descolagem, sinterização e pós-processamento necessário.

Conforme mostrado na Figura 1, o pó de metal e os componentes aglutinantes orgânicos são primeiro misturados, misturados e granulados para preparar um material de injeção. Em seguida, o material de injeção é injetado no molde a uma determinada temperatura e pressão, resfriado e desmoldado para obter um produto verde com uma forma específica. Então, através do processo de descolagem, todos os componentes orgânicos, exceto o pó de metal, são removidos do produto verde, formando um produto verde descolado. Finalmente, a sinterização é realizada para obter o desempenho desejado do produto.

A tecnologia de moldagem por injeção de pó de metal alcançou uma combinação orgânica de moldagem por injeção e tecnologia tradicional de metalurgia do pó, superando as desvantagens de alto custo de usinagem, forma simples do processo de moldagem tradicional, baixa eficiência de produção de prensagem isostática e processo de moldagem por injeção, muitos defeitos no processo tradicional processo de fundição e precisão de baixa tolerância. Ele promoveu muito a produção e aplicação de produtos de titânio e ligas de titânio (como mostrado na Figura 2).

1 Fluxograma de titânio e ligas de titânio fabricados pela MIM

 

2 Aplicações de titânio e ligas de titânio fabricadas pela MIM

 

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

A pesquisa mostrou que as propriedades mecânicas, resistência à corrosão e propriedades biomédicas dos produtos moldados por injeção de titânio e ligas de titânio são muito influenciadas por quatro aspectos: densidade relativa, teor de impurezas, elementos de liga e microestrutura.

Depois que o produto de moldagem por injeção é sinterizado, sua densidade relativa é de cerca de 95% e haverá uma certa proporção de poros residuais.

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

Elementos de impureza, como oxigênio, carbono, nitrogênio, hidrogênio, etc., especialmente oxigênio, podem aumentar o limite de escoamento, resistência à tração e dureza dos materiais, reduzindo a ductilidade. Na temperatura de sinterização, elementos impuros se dissolvem na matriz de titânio. Devido à falta de agentes redutores eficazes, é difícil controlar os elementos impuros no titânio e nas ligas de titânio durante o processo de sinterização. Isso requer minimizar a quantidade de oxigênio adicionado às matérias-primas e cada etapa subsequente do processo.

A microestrutura do titânio e das ligas de titânio, incluindo o tamanho do grão e a composição da fase após a sinterização, pode afetar as propriedades mecânicas do material. No geral, titânio moldado por injeção e materiais de liga de titânio com excelente desempenho têm alta densidade, baixo teor de impurezas (geralmente teor de oxigênio), composição de liga apropriada, tamanho de grão fino durante a densificação e menos defeitos [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 de partícula e a morfologia do pó afetam diretamente a fluidez e a conformabilidade do composto de moldagem por injeção, a retenção da forma do corpo verde durante o processo de descolagem e a taxa de encolhimento durante o processo de sinterização.

Os métodos comumente usados ​​para preparar titânio e pós de liga de titânio incluem o método mecânico e o método de atomização.

A forma do pó obtido por métodos mecânicos, como moagem de bolas, moagem de bolas de agitação, moagem de bolas de vibração de alta energia e pulverização de fluxo de ar é geralmente irregular ou angular.

O processo de hidrogenação desidrogenação (HDH) utiliza as características óbvias de fragilização do titânio após a absorção de hidrogênio. Ele é triturado por moagem mecânica ou britagem por fluxo de ar e, em seguida, submetido à desidrogenação para obter pó de titânio de 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 preparado tem formato esférico e distribuição granulométrica bastante ampla, com bom desempenho de empilhamento, conforme mostra a Figura 3 (b).

Além disso, ao contrário da tecnologia de produção de pó de aço, a produção de pó de titânio mais fino é mais difícil. À medida que o tamanho da partícula diminui, a área de superfície específica aumenta e o conteúdo de elementos de impureza também aumenta.

Normalmente, o MIM usa pó de titânio com tamanho de partícula inferior a 45 μm. Quando as partículas de pó são muito grandes, o processo de injeção é propenso à separação do aglutinante do pó e à formação de defeitos. É necessário considerar completamente o projeto de composição do material de injeção e o projeto do molde [5].

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

1.2 Adesivo

O ligante é um carreador que existe em etapas ao longo de todo o processo de moldagem por injeção, e sua principal função é encher uniformemente o molde com pó em estado fluido, formando a forma desejada, e mantendo-a até a etapa de pré-sinterização.

No processo de moldagem por injeção, o aglutinante deve ter as seguintes características: baixo ponto de fusão, boa molhabilidade para partículas de pó e solidificação rápida, o que é conveniente para a preparação de materiais de injeção; Possui boa fluidez na temperatura de injeção; Após a conformação, pode ser facilmente removido do tarugo, com menos material residual e produtos de decomposição não tóxicos e não corrosivos.

De um modo geral, os componentes do aglutinante incluem pelo menos o componente principal e os componentes secundários:

O componente principal é usado para molhar as partículas de pó de metal 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 aglutinante.

Na maioria dos casos, o sistema aglutinante possui um terceiro componente, como surfactantes, 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 polioximetileno e sistemas à base de água.

1.2.1 Aglutinante à base de cera

As ceras comumente usadas para aglutinantes de sistemas à base de cera incluem vários polímeros de cadeia curta, como parafina, cera de abelha, cera de palma, etc. polímeros, o que é propício para garantir a precisão dimensional do produto.

Os componentes secundários comumente usados ​​de sistemas à base de cera incluem polipropileno, polietileno, copolímero de acetato de vinil etileno e metacrilato de polimetila de alto peso molecular. Além de ligantes de cera e esqueleto, um surfactante como o ácido esteárico é geralmente adicionado para melhorar a compatibilidade entre o pó e o polímero.

O primeiro sistema aglutinante à base de cera relatado na literatura foi Kaneko et al. [6], que usou parafina polibutil metacrilato etileno acetato de vinil copolímero dibutil ftalato como aglutinante e pó de titânio para preparar um material de injeção de remarcação. A carga de pó foi de 56 por cento e, após a descolagem, foi sinterizado a 1300 graus C e 1,3 Pa. A amostra sinterizada obtida tinha uma densidade relativa de 94 por cento e uma resistência à compressão de 1000 MPa, mas devido ao alto teor de impurezas, quase não tinha ductilidade.

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

Guo et al. [8-9] usou polietileno glicol com melhor molhabilidade para substituir parte da parafina e desenvolveu um sistema aglutinante de parafina polietileno polietileno polipropileno ácido esteárico, que foi usado na moldagem por injeção de titânio puro e ligas de titânio alumínio vanádio. As peças sinterizadas tinham boa retenção de forma e pequeno movimento de onda em polegadas. Devido à redução do teor de oxigênio e carbono, o desempenho foi muito melhorado, resultando em bom desempenho.

Além disso, os pesquisadores usaram a cera de palma como um substituto parcial da cera de parafina [10-13] e o óleo de palma como um substituto completo da cera de parafina [14] para um sistema aglutinante à base de cera, que tem bons efeitos de formação. No entanto, devido ao elemento oxigênio contido na própria cera de palma, também é uma fonte de aumento de oxigênio,

Atualmente, o sistema aglutinante ideal à base de cera relatado na literatura foi proposto por Friederici et al. [15]. Durante o processo experimental, quatro proporções de aglutinantes foram formadas ajustando as proporções de parafina, polietileno de baixa densidade e ácido esteárico, e diferentes materiais de injeção foram formados, descolados e sinterizados com base nessas proporções. Foi obtida uma amostra com uma densidade relativa de 98,1 por cento e uma composição química que atende aos requisitos de titânio puro secundário.

Os sistemas de aglutinantes à base de cera desempenham um papel importante na moldagem por injeção, mas devido à baixa eficiência da descolagem do solvente usando solventes orgânicos, os pesquisadores inovaram continuamente e desenvolveram novos sistemas de aglutinantes.

1.2.2 Aglutinantes à base de compostos aromáticos

Compostos aromáticos (como naftaleno, antraceno, etc.) podem se dissolver em temperaturas muito baixas e, sob condições de baixa pressão, podem ser transformados diretamente de sólido em gás por sublimação em temperaturas abaixo de 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] usou compostos aromáticos na moldagem por injeção de titânio em pó metálico. Em sua pesquisa, ligas densas de titânio alumínio vanádio e ligas porosas de titânio alumínio vanádio foram preparadas usando naftaleno, 1% de fração em massa de ácido esteárico e 3% a 12% de fração em massa de copolímero de etileno acetato de etileno como aglutinantes.

Durante o experimento, devido à sublimação direta do naftaleno em gás, nenhuma fase líquida apareceu durante o processo de descolamento e o volume da amostra não mudou. Diferentemente do desengorduramento com solvente, a energia de superfície envolvida no método de sublimação é relativamente baixa, o que significa que defeitos comuns de desengorduramento, como deformação e rachaduras, podem ser evitados. No final, a densidade relativa da amostra sinterizada foi de 96,6% e o teor de carbono não aumentou.

Embora o sistema adesivo tenha alcançado um excelente desempenho do produto, os compostos aromáticos do sistema ainda causam impacto no meio ambiente e na saúde física e não foram mais estudados ou aplicados em larga escala.

1.2.3 Aglutinante à base de polioximetileno

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

O poliformaldeído é o principal componente deste sistema aglutinante, e o polietileno (PE) é gradualmente adicionado como um aglutinante do esqueleto durante o processo de desenvolvimento posterior.

Atualmente, a BASF formou materiais de moldagem por injeção com base neste sistema aglutinante, abrangendo muitos materiais, como aço de baixa liga, aço inoxidável, aço para ferramentas, titânio e ligas de titânio e cerâmica.

A característica significativa do poliformaldeído é sua sensibilidade a reagentes ácidos e sua suscetibilidade à decomposição ácida. Portanto, o corpo verde pode ser tratado em uma atmosfera ácida abaixo de sua temperatura de amolecimento. O processo do polioximetileno ocorre no estado sólido, evitando defeitos como trincas e dilatações causadas pela ebulição dos componentes do ligante. Além disso, a deformação é pequena, a retenção de forma é boa e o controle de tamanho é preciso.

Além disso, devido à alta taxa de difusão, em comparação com outros métodos de desengorduramento, a taxa de desengorduramento é maior, atingindo 10 vezes a taxa de descolagem de solvente tradicional, enquanto permite descolagem de tamanho mais espesso [20].

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

O processo de separação catalítica geralmente usa vapor de ácido nítrico altamente corrosivo como catalisador. Por um lado, o poliformaldeído pode se decompor durante a preparação de materiais de injeção e estágios de moldagem por injeção, produzindo formaldeído altamente tóxico. Além disso, os produtos de decomposição precisam ser removidos por combustão em duas etapas. Por outro lado, a atmosfera ácida que desempenha papel catalisador apresenta maior corrosividade ao equipamento, exigindo maior investimento.

1.2.4 Aglutinante à base de água

Os solventes de separação (tais como heptano e hexano) ou os produtos de decomposição dos componentes do agente de ligação (monómeros de compostos aromáticos e formaldeído) utilizados nos vários sistemas de agentes de ligação acima mencionados são mais ou menos prejudiciais para o ambiente e para os operadores. Portanto, o desenvolvimento e a utilização de sistemas de agente de ligação solvente ecológicos são de grande importância.

O sistema aglutinante ecológico existente usa 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 polietileno glicol, que tem bom desempenho, é barato e fácil de obter. O polietileno glicol de baixo peso molecular pode ser rapidamente e quase completamente removido a 60 graus C, com uma faixa de peso molecular comumente usada de cerca de 500-2000. O aglutinante de esqueleto comumente usado é o metacrilato de polimetila com um peso molecular de 10.000.

Sidambé et ai. [21] usaram um componente aglutinante solúvel em água de ácido esteárico de polietileno glicol polimetil metacrilato para estudar a uma taxa de carregamento de pó de 69 por cento.

No experimento, o polietileno glicol foi completamente removido em água a 55 graus C após 5 horas, e o polimetil metacrilato foi completamente removido em um fluxo de gás argônio de descolagem quente a 440 graus C. O teor final de oxigênio (fração de massa) da amostra preparada é de 0,2 por cento, com resistência à tração correspondente de 850-880 MPa e alongamento 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, amido de ágar, etc.

Tokura et ai. [22] usaram ágar para substituir aglutinantes de polímero na moldagem por injeção de pó de titânio e estudaram a estabilidade térmica, solubilidade e viscosidade do material de injeção deste sistema aglutinante.

Suzuki [24] et al. preparou amostras de 97,3 por cento com densidade relativa usando agar (peso molecular 82 500) aglutinante 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 ao usar 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 do que outros métodos de desengorduramento e o aglutinante é biodegradável e não tóxico para microorganismos, 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, então as condições do processo e o controle de qualidade são difíceis, e ainda são necessárias pesquisas e otimizações adicionais.

1.3 Moldagem por injeção, descolagem e sinterização

Os parâmetros do processo de moldagem por injeção são determinados pelo desempenho do material de injeção e pela forma geométrica do produto alvo.

Como mencionado anteriormente, o tamanho de partícula do pó de titânio é geralmente grosseiro, o que é propenso à separação do aglutinante do pó em comparação com a moldagem por injeção de material de aço inoxidável. Antes da moldagem por injeção, devem ser desenvolvidos parâmetros de processo de formação apropriados com base nas propriedades reológicas do material de injeção para reduzir defeitos no tarugo formado.

Wang et ai. [25] preparou materiais de moldagem por injeção usando liga Ti-6Al-4V combinada com um sistema aglutinante à base de cera em pó e testou e analisou as propriedades reológicas dos materiais de injeção sob diferentes quantidades e temperaturas de carregamento de pó, fornecendo uma base para desenvolver parâmetros de formação apropriados para o processo de moldagem por injeção.

Park e cols. materiais de injeção preparados usando pó de titânio em aerossol, pó de titânio HDH e pó de titânio HDH esferoidalizado e mediram suas propriedades reológicas e comportamento de separação. Eles propuseram um índice de conformabilidade para o material de injeção e avaliaram seu desempenho com base nisso. Os resultados da análise forneceram uma base teórica para o uso simultâneo de pó HDH e pó aerossolizado no sistema de injeção de material.

Barrière et al. [27] exploraram os parâmetros de processo ótimos para produzir peças moldadas por injeção de metal sem defeitos e com as propriedades mecânicas necessárias com base em processos de simulação numérica e experimental. Com base em técnicas de modelagem, uma equação de fluxo de duas fases e um algoritmo explícito recém-desenvolvido foram usados ​​para prever fenômenos de separação de materiais durante o processo de injeção usando simulação numérica.

Chen et ai. [28] usaram um pó de pré-liga de Ti-6Al-4V hidrogenado desidrogenado e um sistema aglutinante solúvel em água para preparar um material de injeção de observação e, em seguida, mediram a taxa de remoção do componente aglutinante solúvel em água polietileno glicol em amostras de diferentes espessuras em diferentes temperaturas. Um modelo matemático de descolagem controlada por difusão foi estabelecido para determinar o mecanismo de descolagem do sistema aglutinante.

Sidambe [29] e outros usaram os métodos de Taguchi para determinar a combinação ideal de temperatura de sinterização, tempo, taxa de aquecimento, atmosfera e outros parâmetros.

Nem e outros. [30] preparou o material de injeção de Ti – 6Al – 4V usando estearato de palma e sistema aglutinante de polietileno e formulou o processo de produção ideal usando métodos de Taguchi. Por fim, obteve-se uma amostra com resistência ao escoamento de 934,4 MPa e alongamento de 10 por cento, e seu desempenho geral atendeu aos requisitos da liga de titânio medicinal ASTM B348-02.

Obasi et al. [31] preparou espécimes de Ti-6Al-4V com propriedades que atendem aos requisitos da liga de titânio ASTM B348-02 grau 23 e estudou os efeitos das mudanças nos sistemas básicos de parâmetros do processo na temperatura processos de desengorduramento e sinterização de componentes MIM em pó de Ti-6Al-4V.

Limberg et ai. [32] preparou Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C usando uma mistura de pós elementares durante o processo de moldagem por injeção e estudou os efeitos do tempo de sinterização e atmosfera em propriedades de tração e microestrutura. Foi obtida uma amostra com resistência à tração de cerca de 630 MPa.

Guo et al. [8-9] preparou titânio puro e materiais de Ti-6Al-4V usando tecnologia de moldagem por injeção e estudou os efeitos de processos de tratamento térmico, como prensagem isostática a quente e recozimento nas propriedades do material de liga. O efeito do tratamento térmico foi caracterizado qualitativa e quantitativamente por meio de testes de microestrutura e propriedades mecânicas, e sua microestrutura é mostrada na Figura 4.

Um material de injeção de remark é preparado misturando pó de titânio atomizado, pó de titânio desidrogenado hidrogenado e sistema aglutinante à base de cera. Após a moldagem por injeção, a descolagem do solvente é realizada em uma mistura de heptano e etanol. O aglutinante é completamente removido após aquecimento a 350, 420 e 600 graus C a uma certa taxa de aquecimento, e a temperatura de sinterização é de 1230 graus C por 3 horas. Finalmente, as propriedades de tração da amostra sinterizada eram 389-419 MPa e o alongamento era 2-4 por cento.

Os membros de nosso grupo de pesquisa [33] prepararam amostras de titânio puro usando um sistema de pó de titânio aerossolizado e aglutinante solúvel em água, e 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 um grau de vácuo de 10-4-10-3 Pa, com uma temperatura de sinterização de 1350 graus C e um alongamento de 20,3 por cento obtido após 3 horas de espera. As amostras atendem totalmente ao melhor desempenho de metalurgia do pó de ASTM F2989-13, com uma densidade relativa de 96,9 por cento e uma resistência à tração de 443 MPa, Biomedical Grade II Pure Titanium Standard.

4 amostras de microestruturas de Ti (a) e Ti-6Al-4V (b) 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 ortopedia, equipamentos odontológicos e implantes médicos. No entanto, devido à diferença de propriedades mecânicas entre o titânio e o osso humano (com módulo de elasticidade em torno de 20 GPa), são gerados efeitos de blindagem de estresse na interface osso/implante, o que pode comprometer sobremaneira os resultados clínicos a longo prazo, como mostrado na Figura 5.

Portanto, os pesquisadores ajustaram as propriedades mecânicas dos materiais de titânio, alterando sua estrutura e composição da liga, tornando-os mais próximos da estrutura e desempenho dos ossos naturais do corpo humano.

5 Comparação do módulo de elasticidade de ligas de titânio biomédicas

2.1 Materiais de titânio porosos e compósitos cerâmicos de titânio

Os materiais de titânio poroso e os novos materiais do sistema de liga de titânio têm estrutura de poros e propriedades mecânicas apropriadas, tornando-os materiais ideais para implantes ortopédicos de substituição.

Por um lado, pode efetivamente reduzir a incompatibilidade de estresse entre o implante e o tecido ósseo, reduzindo assim o efeito de blindagem de estresse e alcançando a função duradoura e eficaz do implante; Por outro lado, a estrutura porosa é uma condição necessária para que as células ósseas cresçam no corpo do implante, e a estrutura porosa interconectada pode permitir a passagem de uma grande quantidade de fluido corporal, promovendo ainda mais o crescimento das células ósseas.

Gu et al. formou um novo tipo de liga TC4 com uma estrutura de poros abertos, adicionando TiH2 como agente espumante e ativador ao pó de titânio, alumínio e vanádio, com distribuição uniforme de tamanho de poros e tamanho de poro variando de 90 a 190 μm. A porosidade é de cerca de 43% a 59% e o módulo de elasticidade varia de 5,8 a 9,5 GPa. Motor e outros [35] prepararam ligas de titânio multimicroporosas usando tecnologia de moldagem por injeção de pó (PIM) combinada com tecnologia de agente formador de poros e estudaram o efeito da quantidade de polimetilmetacrilato do agente formador de poros na densidade, resistência à compressão e módulo elástico da liga.

Tuncer et ai. [36] usaram um sistema de pó esférico atomizado, pó de titânio HDH e aglutinante à base de cera para estudar o efeito do pó inicial no desempenho do produto de titânio poroso final, adicionando uma certa quantidade de NaCl e KCl como agentes formadores de poros. Além disso, ajustando a quantidade de agentes formadores de poros, obteve-se um material de titânio poroso com a porosidade e tamanho de poro necessários para implantes médicos, e a composição química do material pode atender ao padrão de titânio puro de terceiro grau.

Chen et ai. [37] usaram NaCl como agente formador de poros e material de injeção à base de cera de pó de titânio desidrogenado hidrogenado para preparar amostras moldadas por injeção. As amostras obtidas tinham uma porosidade de 42,4 por cento ~71,6 por cento e um tamanho de poro de 300 μm. Conforme mostrado na Figura 6. Ajustando a quantidade de NaCl utilizada, poros interconectados podem ser formados dentro da peça de injeção e suas propriedades mecânicas são semelhantes às do osso esponjoso.

Barbosa e outros. [38] usaram o pó de Fe22Cr pela primeira vez para testar as propriedades reológicas de materiais de injeção com diferentes sistemas aglutinantes. Com base nos resultados do teste de desempenho, um sistema aglutinante à base de cera apropriado foi selecionado. Em seguida, o pó de Ti e o agente formador de poros NaCl foram combinados para prensagem a quente e moldagem por injeção de vários componentes. Após desengorduramento e sinterização, um componente de implante de coluna com núcleo denso e gradiente de porosidade externa foi preparado.

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, tem vantagens únicas na substituição e reconstrução óssea e começou a desempenhar um papel cada vez mais importante em dispositivos biomédicos.

No entanto, devido à sua alta fragilidade e fracas propriedades mecânicas, o HA não pode ser usado sozinho como componente de suporte de carga, resultando no surgimento de um novo tipo de material biomédico composto de HA e materiais de titânio.

Thian et al. [39-42] estudou a preparação de materiais compósitos Ti6Al4V/HA usando o método de moldagem por injeção. Primeiramente, o pó do compósito Ti6Al4V/HA foi preparado usando o método da pasta cerâmica. Em seguida, o pó preparado foi misturado com o aglutinante comercial PAN-250S para preparar um material de injeção de remarcação. As propriedades reológicas do material de injeção foram testadas, e os efeitos da taxa de aquecimento e taxa de fluxo de gás da atmosfera de descolamento em defeitos de descolamento, quantidade de remoção de ligante e conteúdo de carbono residual durante o processo de descolamento foram estudados; O efeito dos parâmetros do processo de sinterização (taxa de aquecimento, temperatura de sinterização, tempo de espera, taxa de resfriamento, etc.) no desempenho da amostra final, resultando em uma porosidade de cerca de 50% da amostra; Além disso, o processo de degradação biológica do material preparado Ti6Al4V/HA no ambiente fluido corporal foi analisado e caracterizado através dos resultados do teste de propriedades mecânicas.

2.2 Novos materiais de liga de titânio

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

Os primeiros materiais de titânio usavam titânio puro (principalmente compostos de fases, mas os materiais de titânio puro têm menor resistência e baixa resistência ao desgaste, levando ao desenvolvimento de materiais de alta resistência e alta tenacidade representados por Ti6Al4V, Ti6Al7Nb e Ti5Al2.5Fe mais liga Tipo A .

Aust et ai. [43] fabricaram com sucesso materiais de parafusos ósseos com excelente desempenho usando pó de Ti6Al7Nb e um sistema aglutinante à base de cera (parafina mais PE mais ácido esteárico), conforme mostrado na Figura 7. O material tem uma densidade relativa de 97,6 por cento, resistência à tração de 815 MPa , resistência ao escoamento de 714 MPa e alongamento de 8,7%.

Os resultados da pesquisa mostraram que elementos de liga como Al e V em ligas de titânio, alumínio e vanádio amplamente utilizadas e ligas de titânio, alumínio e nióbio liberam íons Al e V citotóxicos após os implantes entrarem no corpo humano, causando danos ao corpo humano.

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

As ligas de titânio biológico 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{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. Devido a várias limitações, como a tecnologia de fabricação de pó, esses sistemas de liga não são amplamente utilizados em processos de moldagem por injeção de pó.

Zhao et ai. [45] usaram pó de titânio e pó de nióbio para experimentos de moldagem por injeção para preparar com sucesso ligas de fase dupla de TiNb com uma densidade relativa de cerca de 95 por cento. Ao testar as propriedades mecânicas de tarugos verdes, peças descoladas e peças sinterizadas, bem como observar e comparar a microestrutura de peças sinterizadas com diferentes teores de composição de liga, foi estudado o efeito do teor de Nb na microestrutura e nas propriedades mecânicas da liga.

Arokiasamy et al. [46] preparou uma liga de Ti-5Fe-5Zr adicionando elementos Fe e Zr ao pó de titânio puro HDH e mediu as propriedades mecânicas da liga. Com base nos resultados dos testes, foi obtido o mecanismo dos poros residuais e o efeito do TiC nas propriedades do material da liga.

 

Fig.7Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb parafuso ósseo preparado por MIM

3 Perspectivas

A baixa gravidade específica, alta resistência específica, excelente biocompatibilidade, resistência à oxidação e boa resistência à corrosão de titânio e ligas de titânio têm grande potencial de desenvolvimento em aplicações como aeroespacial, médica, química, automotiva e bens de consumo diário.

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

Embora algum progresso tenha sido feito na pesquisa de moldagem por injeção de titânio e ligas de titânio, uma série de problemas ainda precisam ser resolvidos no processo de produção industrial atual, como o alto preço de matérias-primas em pó de alta qualidade, conversão e aplicação insuficientes de novos sistemas de liga de titânio de alta qualidade para moldagem por injeção e dificuldade em controlar a composição química do produto.

Além disso, com o rápido desenvolvimento da tecnologia de microssistemas nos últimos anos, a demanda por componentes microcomplexos aplicados em microssistemas continua a aumentar. A moldagem por injeção de pó precisa mudar de tipos de produtos tradicionais para microprodutos e se desenvolver em tecnologia de moldagem por microinjeção de pó.

Atualmente, a tecnologia de microinjeção é focada principalmente em sistemas de materiais, como polímeros e aço inoxidável, e ainda existem muitas questões que precisam ser estudadas na microinjeção 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 no estudo da moldagem por micro injeção de material de titânio adequado para dispositivos micro complexos.

Com o aprofundamento da pesquisa 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 progresso significativo, promovendo assim o rápido desenvolvimento da indústria de titânio.