티타늄 및 티타늄 합금 금속 분말 사출 성형 기술 연구 진행

티타늄 및 티타늄 합금 금속 분말 사출 성형 기술 연구 진행

--출처: CNKI, 주최: Zhongwei Precision Editor--

텍스트는 총 16900단어이며 읽는 시간은 45분입니다.

요약

티타늄 및 티타늄 합금은 비중이 낮고 비강도가 높으며 생체 적합성 및 내식성이 우수하며 항공 우주, 생물 의학, 화학, 자동차 및 기타 분야에서 큰 응용 가능성이 있습니다.

티타늄 및 티타늄 합금 금속 분말의 금속 사출 성형(MIM) 기술은 복잡한 형상을 가진 중소형 티타늄 제품의 대량 및 저비용 제조를 실현할 수 있으며 이는 티타늄 및 티타늄의 생산 및 응용을 촉진하는 데 큰 의미가 있습니다. 합금 제품.

이 논문은 티타늄과 티타늄 합금의 금속분말 사출성형의 특징과 장점을 소개하고, 분말 원료로부터 티타늄과 티타늄 합금의 금속분말 사출성형 기술, 바인더 시스템, 분말 사출 성형, 디본딩 및 소결에 대한 연구 진행 상황을 요약하고, 현재 주요 문제에 따라 티타늄 및 티타늄 합금의 금속 분말 사출 성형의 연구 방향과 개발 전망을 분석합니다.

키워드 티타늄; 티타늄 합금; 사출 성형; 연구 진행 분류 번호 TF125.2; TF125.2 플러스 2

1840년대부터 사람들이 광석에서 금속 티타늄을 얻는 산업적 생산 방법을 터득한 이후 티타늄과 티타늄 합금은 산업 및 상업 시설에서 널리 사용되었습니다. 그러나 철강에 비해 연간 생산량이 적고 원자재 가격이 높기 때문에 적용 범위가 주로 해양 산업, 화학 산업, 항공 우주 산업, 의료 기기, 임플란트 및 사치품 및 기타 산업으로 제한됩니다. 재료 성능에 대한 높은 요구 사항.

현재 원자재의 높은 가격 외에도 티타늄 및 티타늄 합금 가공 및 형성의 어려움은 적용 범위를 크게 제한합니다.

티타늄 및 티타늄 합금의 가공성은 좋지 않습니다. 전통적인 가공 방법은 장비를 가공하는 데 비용이 많이 들고 가공 효율이 낮아 가공 비용이 크게 증가합니다. 가공할 수 있는 티타늄 부품의 구조는 매우 단순하며, 대부분 가공 방법의 한계로 인해 재료의 최적 성능을 발휘할 수 있는 설계 방식을 달성하지 못합니다.

이러한 맥락에서 원료의 높은 활용도와 낮은 배치 생산 비용의 장점을 가진 금속 사출 성형(MIM)은 이상적인 티타늄 및 티타늄 합금 가공 공정이 되었습니다[1-4].

금속 분말 사출 성형 공정에는 일반적으로 사출 재료 준비, 사출 성형, 디본딩, 소결 및 필요한 후처리와 같은 몇 가지 기본 공정이 포함됩니다.

도 1에 도시된 바와 같이 금속분말과 유기바인더 성분을 혼합, 혼합, 과립화하여 사출재를 제조한 후, 일정 온도와 압력에서 사출재를 금형에 주입한다. 냉각 후 탈형하여 특정 형상의 녹색 제품을 얻은 후, 녹색의 금속분말을 제외한 모든 유기성분을 디본딩 공정으로 제거하여 디본딩 그린이 되고, 최종적으로 필요한 성능을 갖는 제품을 얻는다. 소결.

금속 분말 사출 성형 기술은 사출 성형과 전통적인 분말 야금 기술의 유기적 결합을 실현하고 높은 가공 공정 비용, 전통적인 성형 공정의 단순한 모양, 등압 프레스 및 사출 성형 공정의 낮은 생산 효율, 전통적인 주조의 많은 결함의 단점을 극복합니다. 공정, 낮은 공차 정확도 및 티타늄 및 티타늄 합금 제품의 생산 및 적용을 크게 촉진합니다(그림 2 참조).

그림 1 티타늄 및 티타늄 합금 금속 분말 사출 성형의 공정 흐름도

그림 1 MIM에서 제조한 티타늄 및 티타늄 합금의 흐름도

그림 2 2002년 Zhongwei Precision과 Beijing이 공동 개발한 티타늄 및 티타늄 합금 금속 분말 사출 성형의 응용 사례 및 2004년 양산 달성

그림 2 MIM에서 제조한 티타늄 및 티타늄 합금의 적용

이 논문은 티타늄 및 티타늄 합금 금속 분말 사출 성형의 특성과 장점을 소개하고 분말 원료, 일반적으로 사용되는 바인더 시스템, 사출 성형, 디본딩 및 소결에서 티타늄 및 티타늄 합금 금속 분말 사출 성형 기술의 연구 진행 상황을 요약하고 분석합니다. 현재의 주요 문제에 비추어 티타늄 및 티타늄 합금 금속 분말 사출 성형의 연구 방향.

티타늄 및 티타늄 합금 금속 분말 사출 성형 연구 현황

연구에 따르면 티타늄 및 티타늄 합금 사출 성형 제품의 기계적 특성, 내식성 및 생물 의학적 특성은 상대 밀도, 불순물 함량, 합금 원소 및 미세 구조에 크게 영향을 받습니다.

소결 후 사출 성형 제품의 상대 밀도는 약 95 %이며 일정 비율의 잔류 기공이 있습니다.

이러한 잔류 기공은 샘플이 파손될 때 균열의 원인이 되며 인장 강도, 연성, 파괴 인성, 피로 강도 및 기타 재료의 기계적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 티타늄 및 티타늄 합금 사출 성형 제품의 상대 밀도가 높을수록 기계적 특성이 좋습니다.

산소, 탄소, 질소, 수소 등과 같은 불순물, 특히 산소는 재료의 항복 강도, 인장 강도 및 경도를 향상시키고 연성을 감소시킵니다. 불순물은 소결 온도에서 매트릭스 티타늄에 용해됩니다. 효과적인 환원제가 없기 때문에 소결 과정에서 티타늄 및 티타늄 합금의 불순물을 제어하기 어렵 기 때문에 원료 및 각 후속 공정에서 첨가되는 산소의 양을 최대한 줄이는 것이 필요합니다.

소결 후 입자 크기 및 상 조성을 포함한 티타늄 및 티타늄 합금의 미세 구조는 재료의 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 한마디로 우수한 성능의 사출 성형된 티타늄 및 티타늄 합금 재료는 고밀도, 낮은 불순물 함량(일반적으로 산소 함량), 적절한 합금 조성, 미세 입자 및 치밀화 중 결함이 거의 없습니다[5].

1.1 분말 원료

분말 원료의 선택은 티타늄 분말 사출 성형 공정에서 중요한 단계입니다. 분말의 입자 크기 분포 및 형태는 사출 재료의 유동성 및 성형성, 디본딩 공정 중 미가공체의 형태 유지 및 소결 공정 중 수축에 직접적인 영향을 미칩니다.

현재 일반적으로 사용되는 티타늄 및 티타늄 합금 분말의 제조 방법에는 기계적 방법과 분무 방법이 있습니다.

기계적 밀링(예: 볼 밀링, 교반 볼 밀링, 고에너지 진동 볼 밀링 및 기류 밀링)에 의해 생성된 분말의 모양은 일반적으로 불규칙하거나 각이 있습니다.

수소화 탈수소화(HDH) 공정은 수소 흡수 후 티타늄의 명백한 취성을 이용하여 기계적 분쇄 또는 기류 분쇄로 분쇄한 다음 탈수소화하여 그림 3(a)와 같이 불규칙한 모양의 티타늄 분말을 얻는 것입니다. . 원자화 방법(예: 불활성 가스 원자화, 플라즈마 빔 회전 전극 원자화 및 전극 유도 용융 가스 원자화)은 완전히 불활성 분위기에서 수행하여 원료 분말의 고순도를 유지할 수 있습니다. 분말은 그림 3(b)와 같이 상당히 넓은 입자 크기 분포와 우수한 적층 성능을 가진 구형입니다.

또한, 강철 분말의 생산 기술과 달리 더 미세한 입자 크기의 티타늄 분말을 생산하는 것은 어렵습니다. 입자 크기가 감소함에 따라 비표면적이 증가하고 불순물 함량도 증가합니다.

일반적으로 MIM에서 사용하는 티타늄 분말의 입자 크기는 45μm 미만입니다. 분말 입자가 너무 크면 사출 공정에서 분말 바인더 분리가 발생하기 쉽고 결함이 형성되므로 사출 재료의 구성 설계 및 금형 설계에서 충분히 고려해야 합니다[5].

그림 3. 사출성형용 수소첨가수소티타늄분말(a)과 에어로졸티타늄분말(b)

그림3 HDH(a)와 기체분무(b) MIM에 사용된 티타늄 분말

1.2 바인더

바인더는 사출 성형 공정 전반에 걸쳐 단계적으로 존재하는 캐리어입니다. 주요 역할은 분말이 유체 상태에서 금형을 균일하게 채우고 필요한 모양을 형성하고 사전 소결 단계까지 유지하는 것입니다.

사출 성형 공정에서 바인더는 다음과 같은 특성을 가져야합니다. 낮은 융점, 분말 입자에 대한 우수한 젖음성 및 빠른 경화는 사출 재료 준비에 편리합니다. 사출 온도에서 유동성이 좋습니다. 성형 후 미가공체에서 쉽게 제거할 수 있으며 잔류물이 적습니다. 분해 생성물은 독성이 없고 부식성이 없습니다.

일반적으로 바인더 구성 요소는 최소한 주 구성 요소와 보조 구성 요소를 포함해야 합니다.

주성분은 금속 분말 입자를 적시고 필요한 유동성을 제공하는 데 사용되는 반면, 보조 성분은 사출 공정 중 및 바인더의 주성분이 제거된 후에도 사출 성형체가 여전히 충분한 강도를 갖도록 보장합니다.

대부분의 경우 바인더 시스템에는 계면 활성제와 같은 세 번째 구성 요소가 있어 금속 분말과 폴리머 간의 상용성을 향상시킵니다.

바인더 성분의 다른 주요 구성 요소에 따라 일반적으로 사용되는 바인더 시스템은 왁스 기반 시스템, 방향족 화합물 기반 시스템, 파라포름알데히드 기반 시스템 및 수성 시스템으로 나눌 수 있습니다.

1.2.1 왁스 기반 바인더

왁스 기반 시스템 접착제의 일반적으로 사용되는 왁스는 파라핀 왁스, 밀랍, 팜 왁스 및 기타 단쇄 중합체입니다. 그들은 낮은 융점, 좋은 젖음성, 짧은 분자 사슬, 낮은 점도를 가지며 분해 중 다른 중합체보다 부피 변화가 적기 때문에 제품의 치수 정확도를 보장하는 데 도움이 됩니다.

왁스 기반 시스템에 일반적으로 사용되는 보조 성분에는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 및 고분자량 폴리메틸 메타크릴레이트가 있습니다. 왁스 및 골격 결합제 외에도 스테아르산과 같은 계면 활성제는 일반적으로 분말과 중합체 사이의 상용성을 향상시키기 위해 첨가됩니다.

문헌에 처음 보고된 왁스 기반 바인더 시스템은 Kaneko et al.

Kato et al. [7]은 진공 디본딩과 아르곤 분위기 디본딩을 결합한 2단계 디본딩 공정을 연구했는데, 이는 소결된 조각의 탄소 및 산소 함량을 상당히 감소시켰습니다.

Guo et al. [8-9]는 파라핀의 일부를 대체하기 위해 습윤성이 우수한 폴리에틸렌글리콜을 사용하여 파라핀-폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌-폴리프로필렌-스테아르산 바인더 시스템을 개발하여 순수 티타늄 및 티타늄 알루미늄 바나듐 합금의 사출 성형에 사용했습니다. 소결 부품은 형태 유지력이 좋고 움직임이 적습니다. 산소 및 탄소 함량의 감소로 인해 성능도 크게 향상되어 성능이 향상되었습니다.

또한 일부 연구자들은 왁스 기반 바인더 시스템에서 파라핀 왁스를 부분적으로 대체하기 위해 팜 왁스[10-13]를, 팜 오일을 사용하여 파라핀 왁스를 완전히 대체하기 위해[14] 우수한 성형 효과를 사용했습니다. 그러나 팜왁스 자체에 함유된 산소원소도 산소증가원이기 때문에 최종제품의 탄소와 산소함량이 약간 높으며 기계적 물성은 파라핀계만큼 좋지는 않다.

문헌에 보고된 최상의 왁스 기반 바인더 시스템은 Friederici et al. [15]. 실험 중 파라핀, 저밀도폴리에틸렌, 스테아르산의 비율을 조절하여 4가지 바인더 비율을 형성한 후 다양한 사출재료의 성형, 탈결합, 소결 공정을 진행하였다. 상대 밀도가 98.1%이고 화학적 조성이 2차 순수 티타늄의 요구 사항을 충족하는 샘플을 얻었습니다.

왁스 기반 바인더 시스템은 사출 성형에서 중요한 역할을 합니다. 그러나 왁스 기반 바인더 시스템의 용매 탈결합에 사용되는 유기 용매의 낮은 탈지 효율로 인해 연구자들은 이를 기반으로 계속 혁신하고 새로운 바인더 시스템을 개발하고 있습니다.

1.2.2 방향족 화합물 기반 바인더

방향족 화합물(예: 나프탈렌, 안트라센 등)은 매우 낮은 온도에서 용해될 수 있습니다. 저압 조건에서 녹는점보다 낮은 온도에서 승화하여 고체에서 기체로 직접 변환될 수 있습니다. 방향족 화합물을 바인더 성분으로 사용하면 탈결합 공정의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

Weil et al. [16 – 18]은 티타늄 금속 분말 사출 성형에 방향족 화합물을 사용했습니다. 연구에서 나프탈렌, 1% 스테아르산 및 3% ~12% 비닐 아세테이트 공중합체를 결합제로 사용하여 조밀하고 다공성인 티타늄 알루미늄 바나듐 합금을 제조했습니다.

실험 중 나프탈렌이 기체로 직접 승화되기 때문에 Debonding 과정에서 액상이 없었고, 시료의 부피가 변하지 않았으며, 용매 탈지와 달리 승화 방법에 수반되는 표면 에너지가 낮았기 때문에 변형 및 균열과 같은 일반적인 탈지 결함을 피할 수 있습니다. 그 결과 소결된 시료의 상대밀도는 96.6%였으며 탄소함량은 증가하지 않았다.

바인더 시스템이 우수한 제품 성능을 달성했지만 시스템의 방향족 화합물은 여전히 ​​환경과 건강에 영향을 미치며 후속 연구나 대규모 적용이 이루어지지 않았습니다.

1.2.3 폴리포름알데히드 기반 결합제

폴리포름알데히드는 1984년 Celanese Corp에서 바인더 시스템에 처음 사용되었으며 이후 BASF에서 개발하여 바인더 구성 요소에 왁스와 저분자량 구성 요소가 포함되지 않도록 했습니다[19].

폴리포름알데히드는 바인더 시스템의 주성분이며, 이후 개발 과정에서 골격 바인더로 폴리에틸렌(PE)이 점차 첨가된다.

현재 BASF는 이 바인더 시스템을 기반으로 저합금강, 스테인리스강, 공구강, 티타늄, 티타늄 합금 및 세라믹을 포괄하는 사출 성형 재료를 형성했습니다.

POM의 두드러진 특징은 산성 시약에 민감하고 산 분해가 쉽다는 것입니다. 따라서, 그린 빌렛은 연화 온도보다 낮은 산성 분위기에서 처리될 수 있다. 이 과정에서 폴리옥시메틸렌은 고체 상태로 바인더 성분의 끓음으로 인한 균열 및 팽창과 같은 결함을 방지합니다. 또한, 그린 빌렛은 변형이 적고, 형태 유지력이 좋으며, 정확한 크기 조절이 가능합니다.

또한, 다른 탈지 방법에 비해 확산 속도가 높기 때문에 탈지 속도가 더 빨라서 기존 용매 탈결합 속도의 10배에 도달할 수 있으며 더 두꺼운 크기의 탈결합이 가능합니다[20].

폴리옥시메틸렌 기반 바인더 시스템은 위와 같은 많은 장점을 가지고 있지만 많은 단점도 가지고 있습니다.

부식성이 높은 질산 증기는 일반적으로 촉매 분리 공정에서 촉매로 사용됩니다. 한편, 폴리옥시메틸렌은 사출 재료의 준비 및 사출 성형 초기 단계에서 분해되어 독성이 높은 포름알데히드를 생성할 수 있으며 분해 생성물은 2단계 연소를 통해 제거해야 합니다. 반면에 촉매 역할을 하는 산성 분위기는 장비에 대한 부식성이 높아 더 많은 투자가 필요하다.

1.2.4 수성 바인더

위에서 언급한 여러 바인더 시스템에서 사용되는 탈결합 용매(예: 헵탄 및 헥산) 또는 바인더 성분의 분해 생성물(방향족 화합물 단량체 및 포름알데히드)은 환경 및 작업자에게 다소 유해합니다. 따라서 환경 친화적인 용매를 이용한 바인더 시스템의 개발 및 활용은 매우 의의가 있다.

기존의 친환경 바인더 시스템은 탈결합 용매로 물을 사용합니다.

주사제 준비에서 물의 다른 역할에 따라 이러한 종류의 바인더 시스템은 겔 기반과 비 겔 기반으로 나눌 수 있습니다.

비겔 기반 시스템에 사용되는 일반적인 폴리머는 폴리에틸렌 글리콜이며, 이는 성능이 좋고 저렴하고 쉽게 구할 수 있습니다. 저분자량 ​​폴리에틸렌 글리콜은 60℃에서 빠르고 완전하게 제거할 수 있으며 일반적으로 사용되는 폴리에틸렌 글리콜의 분자량은 약 500~2000입니다. 일반적으로 사용되는 골격 결합제는 분자량 10000의 폴리메틸메타크릴레이트입니다.

Sidambe et al.

실험에서 폴리에틸렌 글리콜은 55℃의 물에서 5시간 후 완전히 제거되었고, 폴리메틸메타크릴레이트는 440℃의 고온 탈착 아르곤 흐름에서 완전히 제거되었다. 준비된 샘플의 최종 산소 함량(질량 분율)은 0.2%, 해당 인장 강도는 850~880MPa, 연신율은 8.5%~16%로 ASTM 등급 5 Ti 표준을 충족합니다.

대부분의 겔 기반 바인더는 셀룰로오스, 전분 한천 등과 같은 천연 물질입니다.

Tokura[22] et al. 티타늄 분말 사출 성형에서 폴리머 바인더를 대체하기 위해 한천을 사용하고 바인더 시스템의 열 안정성, 용해도 및 점도를 연구했습니다.

Metal Powder Report (MPR) [23]는 한천, 물 및 젤 강화 재료로 구성된 한천 기반 바인더를 사용하여 티타늄 합금 치과 임플란트의 생산에 대한 연구를보고했습니다.

Suzuki[24] et al. 4% 질량 분율을 포함하는 한천(분자량 82 500) 결합제를 사용하여 상대 밀도로 97.3% 샘플을 준비했습니다. 샘플의 탄소 및 산소 질량 분율은 각각 0.33% 및 0.3%입니다. 항복강도는 539MPa, 연신율은 약 10%이다. 실험 결과는 고분자량 한천을 사용할 때 겔 강도가 증가하지만 잔류 탄소 및 산소 함량이 높아서 소결 밀도, 인장 강도 및 소결 조각의 연신율이 낮아짐을 보여줍니다.

비겔 기반 수성 바인더는 제어가 용이하고 탈지 장비가 다른 탈지 방법보다 저렴하며 바인더는 생분해되고 미생물에 무독성이지만 탈지용 폐수 처리에는 추가 비용이 필요합니다.

겔 기반 바인더 시스템 사출 성형 컴파운드로 생산되는 최종 부품의 크기를 제어하기 어렵고 조성이 충분히 안정적이지 않아 공정 조건 및 품질 관리가 어렵고 추가 연구와 최적화가 여전히 필요합니다.

1.3 사출 성형, 결합 해제 및 소결

사출 성형의 공정 매개변수는 사출 화합물의 특성과 대상 제품의 형상에 따라 결정됩니다.

위에서 언급한 바와 같이, 티타늄 분말의 입자 크기는 일반적으로 상대적으로 조대하여 스테인리스강 재료의 사출 성형에 비해 분말 바인더 분리를 일으키기 쉽습니다. 사출 성형 전에 성형된 미가공체의 결함을 줄이기 위해 사출 재료의 유변학적 특성에 따라 적절한 성형 공정 매개변수를 공식화해야 합니다.

Wang et al.

Park[26] et al. 에어로졸화 티타늄 분말, HDH 티타늄 분말 및 구상화 HDH 티타늄 분말을 사용하여 사출 재료를 준비하고 이들의 유변학적 특성 및 탈결합 거동을 측정하고 사출 재료의 성형성 지수를 제안하고 이를 기반으로 사출 재료의 특성을 평가했습니다. 분석 결과는 사출 재료 시스템에서 HDH 분말과 에어로졸 분말의 동시 사용에 대한 이론적 근거를 제공했습니다.

Barriere[27]와 다른 사람들은 실험 및 수치 시뮬레이션 프로세스를 기반으로 요구되는 기계적 특성과 결함이 없는 금속 사출 성형 부품을 생산하기 위한 최적의 프로세스 매개변수에 대해 논의했습니다. 모델링 기술을 기반으로 2상 유동 방정식과 새로 개발된 명시적 알고리즘을 사용하여 수치 시뮬레이션을 사용하여 사출 공정에서 재료 분리 현상을 예측했습니다.

Chen [28] et al. 수소화된 탈수소화된 Ti – 6Al – 4V 예비 합금 분말 및 수용성 바인더 시스템을 사용하여 주석 피드를 준비한 다음, 다양한 온도에서 두께가 다른 샘플에서 수용성 바인더 성분 폴리에틸렌 글리콜의 제거율을 측정하고, 확산 제어된 탈결합 수학적 모델을 수립했습니다. , 바인더 시스템의 디본딩 메커니즘을 결정했습니다.

Sidambe[29] et al. 소결 온도, 시간, 가열 속도, 분위기 및 기타 매개변수의 최상의 조합을 결정하기 위해 Taguchi의 방법을 사용했습니다.

Nor et al. [30] 경질 팜 에스테르와 폴리에틸렌 바인더 시스템을 사용하여 Ti – 6Al – 4V 사출 재료를 준비하고 Taguchi 공법을 사용하여 최적의 생산 공정을 공식화했습니다. 마지막으로 항복 강도가 934.4MPa이고 연신율이 10%인 샘플을 얻었으며 전체 성능은 ASTM B{6}} 의료용 티타늄 합금의 요구 사항을 충족했습니다.

Obasiet al. [31] ASTM B348 – 02 티타늄 합금 등급 23의 요구 사항을 충족하는 특성을 가진 Ti – 6Al – 4V 샘플을 준비하고 기본 공정 매개변수 시스템의 변화가 Ti – 6Al – 4V의 열적 탈지 및 소결 공정에 미치는 영향을 연구했습니다. 분말 MIM 구성 요소.

Limberg et al. [32] 사출 성형 공정에서 단순 분말을 혼합하여 Ti – 45Al – 5Nb – 0.2B – 0.2C를 준비하고, 인장 특성 및 미세 구조에 대한 소결 시간 및 소결 분위기의 영향을 연구, 인장 강도가 약 630MPa인 샘플을 얻었다.

Guo et al. [8-9] 사출 성형 기술로 순수한 티타늄과 Ti – 6Al – 4V 재료를 준비하고 열간 등방압 압축 및 어닐링과 같은 열처리 공정이 합금 재료의 특성에 미치는 영향을 연구하고 열처리 효과를 정성 및 정량적으로 특성화했습니다. 미세 구조 기계적 특성 테스트를 통해. 그 미세 구조는 그림 4에 나와 있습니다.

비고 피드는 원자화된 티타늄 분말, 수소화된 탈수소화된 티타늄 분말 및 왁스 기반 바인더 시스템을 혼합하여 준비됩니다. 사출 성형 후 헵탄과 에탄올 혼합물의 용매에서 분리됩니다. 일정한 가열속도로 350, 420, 600℃까지 가열한 후 보온에 의해 바인더를 완전히 제거한다. 소결 온도는 1230℃이고 보온은 3시간이다. 마지막으로, 소결된 샘플의 인장 특성은 389~419 MPa이고 연신율은 2%~4%입니다.

연구 그룹[33]의 구성원은 에어로졸 티타늄 분말과 수용성 바인더 시스템을 사용하여 순수 티타늄 샘플을 준비하고 순수 티타늄 샘플의 특성에 대한 소결 온도 및 유지 시간의 영향을 연구했습니다. 소결 공정은 10-4~10-3 Pa 진공 하에서 수행되었으며, 소결 온도는 1350℃, 3시간 유지 후 연신율은 20.3%로 ASTM F{{8 }}, 최고의 분말 야금 성능을 가진 샘플, 상대 밀도는 96.9%, 인장 강도는 443 MPa, 생물 의학 등급 II 순수 티타늄 표준이었습니다.

그림 4 왁스 기반 바인더 주입으로 제조된 순수 티타늄(a) 및 티타늄 알루미늄 바나듐 합금(b) 샘플의 미세 구조

그림 4 왁스 기반 공급 원료로 준비한 Ti(a) 및 Ti-6Al{2}}V(b) 샘플의 미세 구조

2 새로운 티타늄 및 티타늄 합금 사출 성형 재료

현재 티타늄 및 티타늄 합금은 정형외과, 구강 관련 기구 및 의료용 임플란트에 널리 사용됩니다. 그러나 기계적 성질과 사람의 뼈 기계적 성질(탄성계수 약 20GPa)의 차이로 인해 뼈/임플란트 계면에 응력 차폐 효과가 발생하여 다음과 같이 장기적인 임상 효과가 크게 감소할 수 있습니다. 그림 5에 나와 있습니다.

따라서 연구원들은 티타늄 재료의 구조와 합금 조성을 변경하여 티타늄 재료의 기계적 특성을 조정하여 인간의 자연 뼈의 구조와 성능에 더 가깝게 만들었습니다.

그림 5 일반적인 의료용 티타늄 합금 재료의 탄성 계수 비교

그림5 생체의학 티타늄 합금의 탄성계수 비교

2.1 다공성 티타늄 재료 및 티타늄  세라믹 복합 재료

다공성 티타늄 재료와 새로운 티타늄 합금계 재료는 적절한 기공 구조와 기계적 특성을 가지며 이상적인 정형 임플란트 재료입니다.

한편으로는 임플란트와 뼈 조직 사이의 응력 불일치를 효과적으로 감소시켜 응력 차폐 효과를 줄이고 임플란트의 영구적이고 효과적인 기능을 실현할 수 있습니다. 한편, 다공성 구조는 임플란트 본체에 골세포가 성장하기 위한 필요조건이다. 상호 연결된 다공성 구조는 많은 양의 체액이 통과할 수 있도록 하여 뼈 세포의 성장을 더욱 촉진할 수 있습니다.

Gu [34] et al. 티타늄 알루미늄 바나듐 원소 분말에 발포제 및 활성제로 TiH2를 첨가하여 90~190μm의 균일한 기공 크기 분포를 갖는 개방형 기공 구조의 새로운 TC4 합금을 형성했습니다. 다공성은 약 43%~59%이고 탄성 계수는 ​​5.8~9.5GPa입니다. Engine et al. 기공 형성제 기술과 결합된 분말 사출 성형(PIM)으로 미세 다공성 티타늄 합금을 제조하고, 기공 형성제 폴리메틸메타크릴레이트의 양이 합금의 밀도, 압축 저항 및 탄성 계수에 미치는 영향을 연구했습니다.

튜너 외

Chen [37] et al. 기공 형성제로 NaCl을 사용하고 사출 성형 샘플을 제조하기 위해 수소화 탈수소 티타늄 분말 왁스 기반 사출 재료를 사용했습니다. 얻어진 샘플의 기공률은 42.4% ~ 71.6%였으며 기공 직경은 300μm에 도달했습니다. 그림 6과 같이 염화나트륨의 양을 조절하여 주입부에 연결구멍을 형성할 수 있으며 기계적 물성은 해면골과 유사하다.

Barbosa et al.

그림 6 기공 형성제로 NaCl을 사용하여 제조된 다공성 티타늄 사출 성형 부품

그림 6 공간 홀더로 NaCl을 사용하는 다공성 티타늄 사출 성형 부품

수산화인회석(Hydroxyapatite, HA)은 인간의 천연 뼈 조직과 화학적 조성 및 결정 구조가 동일하며 뼈 대체 및 뼈 재건에 고유한 장점이 있으며 생체 의학 장치에서 점점 더 중요한 역할을 하기 시작했습니다.

그러나 HA는 부서지기 쉽고 기계적 특성이 열악하기 때문에 단독으로 하중을 지지하는 구성 요소로 사용할 수 없습니다. 이에 HA와 티타늄 소재로 구성된 새로운 바이오메디컬 소재가 등장했다.

Thian et al. [39  42]는 사출 성형에 의한 Ti6Al4V/HA 복합 재료의 제조를 연구했습니다. 먼저 세라믹 슬러리 공정을 통해 Ti6Al4V/HA 복합 분말을 제조한 후, 제조된 분말을 시판 바인더 PAN{6}}S와 혼합하여 비고를 제조하였다. 주입 혼합물의 유변학적 특성을 시험하였으며, Debonding 부분의 결함, Debonding 공정에서 제거된 Binder 양 및 잔류 탄소 함량에 대한 Debonding 분위기의 가열 속도 및 가스 유량의 영향을 연구하였다. ; 최종 샘플의 특성에 대한 소결 공정 매개변수(가열 속도, 소결 온도, 유지 시간, 냉각 속도 등)의 영향, 준비된 샘플의 다공성은 약 50%입니다. 또한, 제조된 Ti6Al4V/HA 물질이 체액 환경에서 생물학적으로 분해되는 과정을 분석하고 기계적 물성 시험 결과를 특성화하였다.

2.2 새로운 티타늄 합금 소재

의약 분야는 티타늄 재료 응용의 중요한 분야이며 응용 수요 방향은 티타늄 재료의 발전 추세에 직접적인 영향을 미칩니다.

초기 티타늄 재료는 순수 티타늄(상)이었지만 순수 티타늄 재료의 강도가 낮고 내마모성이 좋지 않아 Ti6Al4V, Ti6Al7Nb 및 Ti5Al2.5Fe plus Type 합금으로 대표되는 높은 강도와 ​​인성을 개발했습니다.

Aust et al. [43] Ti6Al7Nb 분말과 왁스 기반 바인더 시스템(파라핀 + PE + 스테아르산)을 사용하여 우수한 성능의 뼈 나사 재료를 성공적으로 제조했습니다(그림 7 참조). 상대 밀도는 97.6%, 인장 강도는 815MPa, 항복 강도는 714 MPa, 연신율은 8.7%입니다.

연구 결과에 따르면 현재 널리 사용되는 티타늄 알루미늄 바나듐 합금 및 티타늄 알루미늄 니오븀 합금의 Al, V 및 기타 합금 원소는 임플란트가 인체에 들어간 후 세포 독성 Al, V 이온을 방출하여 인체에 해를 끼치는 것으로 나타났습니다 .

그 결과, 연구원들은 Nb, Ta, Zr, Mo, Sn 및 기타 생체 안전 요소를 포함하지만 Al, V 요소는 포함하지 않는 일련의 차세대 생체 안전성 테스트를 수행했습니다. 티타늄 합금 시스템 개발.

현재 개발 및 연구 중인 생물학적 티타늄 합금에는 주로 Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr{5}}Ta가 포함됩니다. , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta{13}}.1Zr 및 Ti{15}} Nb{16}}Ta{17}}.6Zr [44]. 분말 제조 기술 및 기타 측면의 한계로 인해 이러한 합금 시스템은 분말 사출 성형에 거의 사용되지 않습니다.

Zhao et al.

Arokiasamyet al. [46]은 HDH 순티타늄 분말에 Fe와 Zr 원소를 첨가하여 Ti 5Fe 5Zr 합금을 제조하고 합금의 기계적 물성을 측정하였다. 시험 결과를 바탕으로 잔류 기공률과 TiC가 합금 재료의 특성에 미치는 영향의 메커니즘을 얻었다.

그림 7 금속 분말 사출 성형

그림 7 금속 사출 성형 공정으로 제조된 Ti6Al7Nb 뼈 나사 Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd에서 생산한 Ti6Al7Nb 뼈 나사 MIM

3 전망

티타늄 및 티타늄 합금은 낮은 비중, 높은 비중, 우수한 생체 적합성 및 내산화성, 우수한 내식성으로 인해 항공 우주, 의료, 화학, 자동차 및 소비재 응용 분야에서 큰 개발 잠재력을 가지고 있습니다.

단조, 주조 및 기계가공과 같은 전통적인 가공 기술과 비교하여 분말 사출 성형 기술은 명백한 이점, 균일한 합금 조성, 원료의 높은 이용률 및 대량의 복잡한 형상 부품에 대한 강력한 생산 능력을 가지고 있어 크게 촉진할 수 있습니다. 티타늄 및 티타늄 합금 제품의 생산 및 응용.

티타늄 및 티타늄 합금 사출 성형에 대한 연구에서 약간의 진전이 있었지만 고품질 분말 원료의 높은 가격, 새로운 기술의 불충분한 적용과 같은 실제 산업 생산 공정에서 해결해야 할 일련의 문제가 남아 있습니다. 고품질 티타늄 합금 시스템에서 사출 성형, 제품의 화학 조성 제어의 어려움.

또한 최근 몇 년간 마이크로 시스템 기술의 급속한 발전으로 마이크로 시스템에 사용되는 마이크로 복합 부품에 대한 수요가 증가하고 있으며 분말 사출 성형은 기존 제품 유형에서 마이크로 제품으로 전환하고 분말 마이크로 사출 성형으로 발전해야 합니다. 기술.

현재 마이크로 사출 성형 기술은 주로 폴리머, 스테인리스 스틸 및 기타 재료 시스템에 중점을 둡니다. 티타늄 및 티타늄 합금 미세 사출 성형에는 여전히 연구해야 할 많은 문제가 있습니다.

따라서 티타늄 및 티타늄 합금 사출 성형 연구의 개발은 새로운 티타늄 합금 시스템의 연구 개발, 저비용 고품질 티타늄 합금 분말 준비 기술 개발 및 티타늄 재료 미세 사출 성형 연구에 중점을 두어야합니다. 마이크로 복합 장치.

티타늄 및 티타늄 합금의 사출 성형 기술에 대한 심층 연구를 통해 티타늄 및 티타늄 합금의 사출 성형 기술이 크게 발전하고 티타늄 산업의 급속한 발전을 촉진 할 것으로 믿어집니다