티타늄 및 티타늄 합금 금속 분말 사출 성형 기술

티타늄 및 티타늄 합금 금속 분말 사출 성형 기술

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.는 2008년 지속적인 연구 개발, 혁신, 테스트, 티타늄 금속 및 티타늄 합금 금속 사출 성형 공정을 통해 대량 생산을 달성했습니다. 필요한 고객이 있으면 이메일을 보내주십시오: 비즈니스- mall@zw-jm.com 저희 회사에 주시면 전문 엔지니어가 최단 근무일 내에 적시에 답변해 드리며,

요약

티타늄 및 티타늄 합금은 비중이 낮고 비중이 높으며 생체 적합성이 우수하고 내식성이 우수하며 항공 우주, 생물 의학, 화학 및 자동차와 같은 분야에서 큰 응용 가능성을 가지고 있습니다.

티타늄 및 티타늄 합금 금속 분말 사출 성형(MIM) 기술은 중소형 복합형 티타늄 제품의 대규모 및 저비용 제조를 달성할 수 있으며, 이는 티타늄 및 티타늄 합금 제품의 생산 및 응용을 촉진하는 데 큰 의미가 있습니다. .

이 기사에서는 티타늄 및 티타늄 합금의 금속 분말 사출 성형의 특성과 장점을 소개합니다. 분말 원료, 바인더 시스템, 분말 사출 성형, 탈착 및 소결 측면에서 티타늄 및 티타늄 합금 금속 분말 사출 성형 기술의 연구 진행 상황을 요약합니다. 현재 존재하는 주요 문제에 대응하여 티타늄 및 티타늄 합금의 금속 분말 사출 성형에 대한 연구 방향과 개발 전망을 분석합니다.

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

(편집자 주: 영문 소개 생략...)

1840년대 광석에서 금속 티타늄을 얻는 산업적 생산 방법이 통달한 이후 티타늄과 티타늄 합금은 산업 및 상업 시설에서 널리 사용되었습니다. 그러나 철강에 비해 아직 연간 생산량이 적고 원자재 가격이 높기 때문에 적용 범위는 대부분 해양산업, 화학산업, 항공우주산업, 의료기기, 임플란트, 명품 등의 산업에 한정되어 있다. 재료 성능에 대한 요구 사항이 높습니다.

현재, 원자재의 높은 가격 외에도 티타늄 및 티타늄 합금의 가공 및 성형의 어려움으로 인해 적용 범위가 크게 제한됩니다.

티타늄 및 티타늄 합금의 가공성은 열악하고 전통적인 가공 방법은 장비가 비싸고 가공 효율이 낮아 가공 비용이 크게 증가합니다. 가공 가능한 티타늄 부품의 구조는 매우 단순하고, 가공 방법의 한계로 인해 대부분 소재 성능을 극대화할 수 있는 설계 솔루션을 구현하지 못하고 있습니다.

이러한 맥락에서 높은 원료 활용도와 낮은 배치 생산 비용이라는 장점이 있는 금속 사출 성형(MIM)은 이상적인 티타늄 및 티타늄 합금 가공 공정[1-4]이 되었습니다.

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

도 1에 도시된 바와 같이, 금속분말과 유기바인더 성분을 먼저 혼합, 혼합, 과립화하여 사출재료를 준비한다. 그런 다음 사출 재료를 일정한 온도와 압력으로 금형에 주입하고 냉각하고 탈형하여 특정 형상의 녹색 제품을 얻습니다. 이후 Debonding 공정을 통해 Green 제품에서 금속 분말을 제외한 모든 유기 성분이 제거되어 Debonding Green 제품이 형성됩니다. 마지막으로 제품의 원하는 성능을 얻기 위해 소결이 수행됩니다.

금속 분말 사출 성형 기술은 사출 성형과 전통적인 분말 야금 기술의 유기적 조합을 달성하여 높은 기계 가공 비용, 전통적인 성형 공정의 단순한 형태, 등압 성형 및 사출 성형 공정의 낮은 생산 효율성, 전통의 많은 결함 등의 단점을 극복했습니다. 주조 공정 및 낮은 공차 정확도. 티타늄 및 티타늄 합금 제품의 생산 및 적용을 크게 촉진했습니다(그림 2 참조).

1 MIM에서 제조한 티타늄 및 티타늄 합금의 흐름도

 

2 MIM에서 제조한 티타늄 및 티타늄 합금의 응용

 

티타늄 및 티타늄 합금 금속 분말 사출 성형 연구 현황

연구에 따르면 티타늄 및 티타늄 합금 사출 성형 제품의 기계적 특성, 내식성 및 생체 의학 특성은 상대 밀도, 불순물 함량, 합금 원소 및 미세 구조의 네 가지 측면에 크게 영향을 받습니다.

사출 성형 제품이 소결된 후 상대 밀도는 약 95%이며 일정 비율의 잔류 기공이 있습니다.

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

산소, 탄소, 질소, 수소 등의 불순물 원소, 특히 산소는 재료의 항복강도, 인장강도, 경도를 증가시켜 연성을 감소시킬 수 있다. 소결 온도에서 불순물 원소는 매트릭스 티타늄에 용해됩니다. 효과적인 환원제가 없기 때문에 소결 공정에서 티타늄 및 티타늄 합금의 불순물 원소를 제어하기가 어렵습니다. 이를 위해서는 원료 및 각 후속 공정 단계에 추가되는 산소의 양을 최소화해야 합니다.

입자 크기 및 소결 후 상 구성을 포함하여 티타늄 및 티타늄 합금의 미세 구조는 재료의 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. 전반적으로 우수한 성능을 가진 사출 성형된 티타늄 및 티타늄 합금 재료는 밀도가 높고 불순물 함량(일반적으로 산소 함량)이 낮으며 합금 조성이 적절하고 치밀화 중 미세 입자 크기가 있으며 결함이 적습니다[5].

1.1 분말 원료

분말 원료의 선택은 티타늄 분말 사출 성형 공정에서 중요한 단계입니다. 분말의 입자 크기 분포 및 형태는 사출 성형 컴파운드의 유동성 및 성형성, 접합 해제 공정 중 성형체의 형태 유지 및 소결 공정 중 수축률에 직접적인 영향을 미칩니다.

티타늄 및 티타늄 합금 분말을 제조하는 데 일반적으로 사용되는 방법에는 기계적 방법과 원자화 방법이 있습니다.

볼 밀링, 교반 볼 밀링, 고에너지 진동 볼 밀링 및 기류 분쇄와 같은 기계적 방법에 의해 얻어진 분말의 형상은 일반적으로 불규칙하거나 각이 진다.

수소화 탈수소화(HDH) 공정은 수소 흡수 후 티타늄의 명백한 취성 특성을 이용합니다. 기계적 분쇄 또는 기류 분쇄에 의해 분쇄된 후, 탈수소화를 거쳐 도 3(a)와 같이 불규칙한 형태의 티타늄 분말을 얻는다. 원자화 방법(예: 불활성 기체 원자화, 플라즈마 빔 회전 전극 원자화 및 전극 유도 용해 가스 원자화)은 원료 분말의 고순도를 유지하기 위해 완전히 불활성 분위기에서 수행할 수 있습니다. 준비된 분말은 그림 3(b)와 같이 모양이 구형이며 입자 크기 분포가 상당히 넓고 적층 성능이 우수합니다.

또한 스틸파우더의 생산기술과 달리 보다 미세한 티타늄파우더의 생산이 더욱 어렵다. 입자 크기가 작을수록 비표면적이 증가하고 불순물 원소의 함량도 증가합니다.

일반적으로 MIM은 입자 크기가 45μm 미만인 티타늄 분말을 사용합니다. 분말 입자가 너무 크면 사출 공정에서 분말 바인더 분리 및 결함 형성이 발생하기 쉽습니다. 사출재료의 구성과 금형설계의 설계를 충분히 고려할 필요가 있다[5].

그림 3 MIM에 사용되는 HDH(a) 및 기체 분무(b) 티타늄 분말

1.2 접착제

바인더는 사출성형 전 과정에 걸쳐 단계적으로 존재하는 담체로 유체 상태의 분말을 금형에 균일하게 채워 원하는 형상을 형성하고 예비 소결 단계까지 유지시키는 역할을 하는 것이 주요 기능이다.

사출 성형 공정에서 결합제는 다음과 같은 특성을 가져야 합니다. 낮은 융점, 분말 입자에 대한 우수한 습윤성 및 빠른 응고로 사출 재료 준비에 편리합니다. 사출 온도에서 유동성이 우수합니다. 성형 후 잔류 물질이 적고 무독성 및 비 부식성 분해 생성물로 빌릿에서 쉽게 제거 할 수 있습니다.

일반적으로 바인더 구성 요소에는 적어도 주 구성 요소와 보조 구성 요소가 포함됩니다.

주요 구성 요소는 금속 분말 입자를 적시고 필요한 유동성을 제공하는 데 사용되는 반면 보조 구성 요소는 사출 공정 중 및 결합제의 주요 구성 요소 제거 후에도 사출 성형체가 여전히 충분한 강도를 갖도록 보장합니다.

대부분의 경우 바인더 시스템에는 금속 분말과 폴리머 간의 상용성을 개선하기 위해 계면활성제와 같은 세 번째 구성 요소가 있습니다.

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

1.2.1 왁스 기반 바인더

왁스 기반 시스템 바인더에 일반적으로 사용되는 왁스에는 파라핀, 밀랍, 팜 왁스 등과 같은 몇 가지 단쇄 폴리머가 포함됩니다. 이들은 낮은 융점, 우수한 습윤성, 짧은 분자 사슬, 낮은 점도 및 다른 제품에 비해 분해 중 부피 변화가 적습니다. 제품 치수 정확도를 보장하는 데 도움이 되는 폴리머.

왁스 기반 시스템의 일반적으로 사용되는 보조 구성 요소에는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 및 고분자량 폴리메틸 메타크릴레이트가 포함됩니다. 왁스 및 골격 결합제 외에도 일반적으로 스테아르산과 같은 계면활성제를 첨가하여 분말과 폴리머 간의 상용성을 개선합니다.

문헌에서 가장 먼저 보고된 왁스 기반 바인더 시스템은 Kaneko et al. [6] 바인더로 파라핀 폴리부틸메타크릴레이트 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 디부틸프탈레이트와 티타늄 분말을 사용하여 주석 주입재를 제조하였다. 분말부하량은 56% 이었고 탈결합 후 1300℃, 1.3Pa에서 소결하였다. 얻어진 소결된 시료의 상대밀도는 94%, 압축강도는 1000MPa이었으나 높은 불순물 함량으로 인해 연성이 거의 없었다.

Katoet al. [7]은 소결 부품의 탄소 및 산소 함량을 크게 감소시키는 진공 분리와 아르곤 대기 분리를 결합한 2단계 분리 공정을 연구했습니다.

Guoet al. [8-9]는 일부 파라핀을 대체하기 위해 더 나은 습윤성을 가진 폴리에틸렌 글리콜을 사용하고 순수 티타늄 및 티타늄 알루미늄 바나듐 합금의 사출 성형에 사용되는 파라핀 폴리에틸렌 폴리에틸렌 폴리프로필렌 스테아르산 바인더 시스템을 개발했습니다. 소결된 부품은 형상 유지력이 양호하고 작은 인치의 파동 운동을 보였습니다. 산소 및 탄소 함량 감소로 인해 성능이 크게 향상되어 성능이 좋아졌습니다.

또한 연구자들은 파라핀 왁스[10-13]의 부분 대체재로 팜왁스를 사용하고 성형 효과가 좋은 왁스 기반 바인더 시스템을 위한 파라핀 왁스의 완전한 대체재로 팜유[14]를 사용했습니다. 그러나 팜왁스 자체에 함유된 산소원소로 인해 산소강화원이기도 하여,

현재 문헌에 보고된 최적의 왁스 기반 바인더 시스템은 Friederici et al. [15]. 실험 과정에서 파라핀, 저밀도 폴리에틸렌, 스테아르산의 비율을 조절하여 4가지 바인더 비율을 형성하고, 이 비율에 따라 서로 다른 사출 재료를 형성, 탈착 및 소결하였다. 98.1%의 상대 밀도와 2차 순 티타늄의 요구 사항을 충족하는 화학 조성을 가진 샘플을 얻었습니다.

왁스 기반 결합제 시스템은 사출 성형에서 중요한 역할을 하지만, 유기 용제를 사용한 용제 탈착 효율이 낮기 때문에 연구자들은 지속적으로 새로운 결합제 시스템을 혁신하고 개발했습니다.

1.2.2 방향족계 바인더

방향족 화합물(예: 나프탈렌, 안트라센 등)은 매우 낮은 온도에서 용해될 수 있으며 낮은 압력 조건에서는 녹는점 이하의 온도에서 승화를 통해 고체에서 기체로 직접 변환될 수 있습니다. 결합제 성분으로 방향족 화합물을 사용하면 탈착 공정의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

Weil et al. [16-18]은(는) 티타늄 금속 분말 사출 성형에 방향족 화합물을 사용했습니다. 연구에서 고밀도 티타늄 알루미늄 바나듐 합금과 다공성 티타늄 알루미늄 바나듐 합금은 나프탈렌, 1% 질량 분율의 스테아르산, 3%~12% 질량 분율의 에틸렌 아세테이트 에틸렌 공중합체를 바인더로 사용하여 제조되었습니다.

실험 중 나프탈렌이 기체로 직접 승화되기 때문에 탈착 과정에서 액상이 나타나지 않았고 시료 부피도 변하지 않았다. 용제 탈지와 달리 승화 방법과 관련된 표면 에너지는 상대적으로 낮습니다. 이는 변형 및 균열과 같은 일반적인 탈지 결함을 피할 수 있음을 의미합니다. 결국, 소결된 샘플의 상대 밀도는 96.6%였으며, 탄소 함량은 증가하지 않았다.

접착제 시스템이 우수한 제품 성능을 달성했지만 시스템의 방향족 화합물은 여전히 ​​환경 및 신체 건강에 영향을 미치며 더 이상 연구되거나 대규모로 적용되지 않았습니다.

1.2.3 폴리옥시메틸렌계 결합제

폴리포름알데히드는 1984년 Celanese Corp에 의해 바인더 시스템에 처음 사용되었으며 나중에 BASF에 의해 개발되어 바인더 구성 요소에 왁스 또는 저분자량 구성 요소가 포함되지 않도록 했습니다[19].

폴리포름알데히드가 이 결합제 시스템의 주성분이며 폴리에틸렌(PE)은 이후 개발 과정에서 골격 결합제로 점차 첨가됩니다.

현재 BASF는 이 바인더 시스템을 기반으로 저합금강, 스테인리스강, 공구강, 티타늄 및 티타늄 합금, 세라믹과 같은 많은 재료를 다루는 사출 성형 재료를 형성했습니다.

폴리포름알데히드의 중요한 특성은 산성 시약에 대한 민감성과 산성 분해에 대한 감수성입니다. 따라서 생소지는 연화 온도 이하의 산성 분위기에서 처리될 수 있습니다. 폴리옥시메틸렌의 공정은 고체 상태이므로 결합제 성분의 비등으로 인한 균열 및 팽창과 같은 결함을 방지합니다. 또한 변형이 적고 형상 유지력이 양호하며 크기 조절이 정확합니다.

또한 높은 확산 속도로 인해 다른 탈지 방법에 비해 탈지 속도가 더 높아 기존 용제 탈착 속도의 10배에 이르며 더 두꺼운 크기의 탈착이 가능합니다[20].

폴리옥시메틸렌 기반 바인더 시스템은 위에서 언급한 많은 장점을 가지고 있지만 많은 단점도 가지고 있습니다.

촉매 분리 공정은 종종 부식성이 높은 질산 증기를 촉매로 사용합니다. 한편, 폴리포름알데히드는 사출 재료 준비 및 사출 성형 단계에서 분해되어 매우 독성이 강한 포름알데히드를 생성할 수 있습니다. 또한 2단계 연소를 통해 분해 생성물을 제거해야 합니다. 반면 촉매 역할을 하는 산성 분위기는 장비에 대한 부식성이 커서 더 많은 투자가 필요하다.

1.2.4 수성 바인더

앞서 언급한 여러 접합제 시스템에 사용되는 접합제 성분(방향족 화합물 모노머 및 포름알데히드)의 분해 산물(예: 헵탄 및 헥산) 또는 분해 생성물은 환경 및 작업자에게 다소 유해합니다. 따라서 환경 친화적인 용제 결합제 시스템의 개발 및 활용은 매우 중요합니다.

기존의 친환경 바인더 시스템은 탈착용제로 물을 사용합니다.

주입 재료 준비에서 물의 다른 역할에 따라 이러한 종류의 바인더 시스템은 젤 기반과 비젤 기반으로 나눌 수 있습니다.

비젤 기반 시스템에 사용되는 일반적인 폴리머는 폴리에틸렌 글리콜로 성능이 우수하고 저렴하고 쉽게 구할 수 있습니다. 저분자량 ​​폴리에틸렌 글리콜은 일반적으로 사용되는 분자량 범위가 약 500-2000인 60℃에서 빠르고 거의 완전히 제거될 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 골격 바인더는 분자량이 10000인 폴리메틸 메타크릴레이트입니다.

Sidambeet al. [21] 폴리에틸렌 글리콜 폴리메틸 메타크릴레이트 스테아르산의 수용성 결합제 성분을 사용하여 69%의 분말 적재율로 연구했습니다.

실험에서 폴리에틸렌 글리콜은 5시간 후 55℃의 물에서 완전히 제거되었고, 폴리메틸메타크릴레이트는 440℃의 뜨거운 탈결합 아르곤 가스 흐름에서 완전히 제거되었다. 최종 산소 함량(질량 분율) 준비된 샘플의 0.2%, 해당 인장 강도 850-880 MPa 및 연신율 8.5% -16%, ASTM 등급 5 Ti 표준 충족.

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

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

Suzuki [24] et al. 4% 질량 분율을 포함하는 한천(분자량 82 500) 결합제를 사용하여 상대 밀도가 있는 97.3% 샘플을 준비했습니다. 샘플의 탄소 및 산소 질량 분율은 각각 0.33% 및 0.3%입니다. 항복 강도는 539MPa이고 연신율은 약 10%입니다. 실험 결과 고분자량 한천을 사용할 경우 겔 강도는 증가하지만 잔류 탄소 및 산소 함량이 높아 소결편의 소결 밀도, 인장 강도 및 연신율이 낮아지는 것으로 나타났다.

논겔 기반의 수계 결합제는 제어가 용이하고, 탈지 장비가 다른 탈지 방법에 비해 저렴하며, 결합제가 생분해성이며 미생물에 무독성이나 탈지용 폐수 처리에 추가 비용이 든다.

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

1.3 사출 성형, 접합 해제 및 소결

사출 성형 공정 매개 변수는 사출 재료의 성능과 대상 제품의 기하학적 모양에 의해 결정됩니다.

앞서 언급했듯이 티타늄 분말의 입자 크기는 일반적으로 거칠기 때문에 스테인레스 스틸 소재 사출 성형에 비해 분말 바인더 분리가 발생하기 쉽습니다. 사출 성형 전에 성형된 빌렛의 결함을 줄이기 위해 사출 재료의 유변학적 특성을 기반으로 적절한 성형 공정 매개변수를 개발해야 합니다.

Wang et al. [25] 분말 왁스 기반 바인더 시스템과 결합된 Ti-6Al-4V 합금을 사용하여 사출 성형 재료를 준비하고 다양한 분말 적재량 및 온도에서 사출 재료의 유변학적 특성을 테스트 및 분석했습니다. 사출 성형 공정을 위한 적절한 성형 매개변수를 개발하기 위한 기초를 제공합니다.

Parket al. 에어로졸화 티타늄 분말, HDH 티타늄 분말 및 구상화 HDH 티타늄 분말을 사용하여 사출 재료를 준비하고 유변학적 특성과 결합 해제 거동을 측정했습니다. 사출재료에 대한 성형성 지수를 제시하고 이를 바탕으로 성능을 평가하였다. 분석 결과는 사출 재료 시스템에서 HDH 분말과 에어로졸 분말을 동시에 사용하기 위한 이론적 근거를 제공했습니다.

Barriereet al. [27] 실험 및 수치 시뮬레이션 프로세스를 기반으로 필요한 기계적 특성과 결함 없이 금속 사출 성형 부품을 생산하기 위한 최적의 프로세스 매개변수를 탐색했습니다. 모델링 기법을 기반으로 2상 유동 방정식과 새로 개발된 명시적 알고리즘을 사용하여 수치 시뮬레이션을 사용하여 사출 공정 중 재료 분리 현상을 예측했습니다.

Chenet al. [28] 수소첨가탈수소화 Ti-6Al-4V 예비합금분말과 수용성 결합제 시스템을 사용하여 주석주입재를 제조한 후 수용성 결합제 성분인 폴리에틸렌글리콜의 제거율을 측정하였다. 다른 온도에서 다른 두께의 샘플에서. 바인더 시스템의 결합 해제 메커니즘을 결정하기 위해 확산 제어 결합 해제 수학적 모델이 설정되었습니다.

Sidambe[29]와 다른 사람들은 소결 온도, 시간, 가열 속도, 대기 및 기타 매개변수의 최적 조합을 결정하기 위해 Taguchi 방법을 사용했습니다.

Nor et al. [30] 팜 스테아레이트와 폴리에틸렌 바인더 시스템을 사용하여 Ti – 6Al – 4V 주입 재료를 준비하고 다구찌 방법을 사용하여 최적의 생산 공정을 공식화했습니다. 마지막으로 934.4MPa의 항복 강도와 10%의 연신율을 가진 샘플을 얻었고 전체 성능은 ASTM B348-02 의료용 티타늄 합금의 요구 사항을 충족했습니다.

Obasiet al. [31] ASTM B348-02 티타늄 합금 등급 23의 요구 사항을 충족하는 특성을 가진 Ti-6Al-4V 시편을 준비하고 기본 공정 매개변수 시스템의 변화가 열에 미치는 영향을 연구했습니다. Ti-6Al-4V 분말 MIM 구성 요소의 탈지 및 소결 공정.

Limberget al. [32] 사출 성형 공정에서 원소 분말의 혼합물을 사용하여 Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C를 제조하고 소결 시간의 영향을 연구했습니다. 인장 특성 및 미세 구조에 대한 분위기. 약 630MPa의 인장 강도를 갖는 샘플을 얻었다.

Guoet al. [8-9]은 사출 성형 기술을 사용하여 순수 티타늄 및 Ti-6Al-4V 재료를 준비하고 열간 정수압 압축 및 어닐링과 같은 열처리 공정이 재료의 특성에 미치는 영향을 연구했습니다. 합금 소재. 열처리 효과는 미세구조 및 기계적 물성 시험을 통해 정성적, 정량적으로 특성화하였으며, 그 미세구조를 그림 4에 나타내었다.

분무형 티타늄 분말, 수소화 탈수소화 티타늄 분말 및 왁스 기반 바인더 시스템을 혼합하여 주석 주입 재료를 제조합니다. 사출 성형 후 용매 탈결합은 헵탄과 에탄올의 혼합물에서 수행됩니다. 350, 420, 600℃까지 일정한 승온속도로 가열한 후 바인더를 완전히 제거하고 소결온도는 1230℃에서 3시간이다. 최종적으로 소결된 시편의 인장특성은 389-419MPa, 연신율은 2-4% 이었다.

우리 연구 그룹[33]의 구성원은 에어로졸화된 티타늄 분말과 수용성 바인더 시스템을 사용하여 순수 티타늄 샘플을 준비하고 소결 온도와 유지 시간이 순수 티타늄 샘플의 특성에 미치는 영향을 연구했습니다. 소결 공정은 10-4-10-3Pa의 진공도에서 수행되었으며, 소결 온도는 1350℃, 3시간 동안 유지한 후 얻은 연신율은 20.3%였습니다. 샘플은 96.9%의 상대 밀도와 443MPa의 인장 강도, Biomedical Grade II Pure Titanium Standard로 ASTM F2989-13의 최고의 분말 야금 성능을 완전히 준수합니다.

4 왁스 기반 공급원료로 제조된 Ti(a) 및 Ti-6Al-4V(b) 샘플의 미세구조

2개의 새로운 티타늄 및 티타늄 합금 사출 성형 재료

티타늄 및 티타늄 합금은 현재 정형 외과, 치과 장비 및 의료용 임플란트에 널리 사용됩니다. 그러나 티타늄과 인체 뼈의 기계적 성질 차이(약 20 GPa의 탄성 계수)로 인해 뼈와 임플란트 계면에서 응력 차폐 효과가 발생하여 장기 임상 결과를 크게 손상시킬 수 있습니다. 그림 5.

따라서 연구자들은 구조와 합금 구성을 변경하여 티타늄 재료의 기계적 특성을 조정하여 인체의 자연 뼈의 구조와 성능에 더 가깝게 만들었습니다.

5 생물 의학 티타늄 합금의 탄성 계수 비교

2.1 다공성 티타늄 재료 및 티타늄 세라믹 복합재

다공성 티타늄 소재와 새로운 티타늄 합금계 소재는 적절한 기공 구조와 기계적 특성을 가지고 있어 정형외과 대체 임플란트에 이상적인 소재입니다.

한편으로는 임플란트와 뼈 조직 사이의 응력 불일치를 효과적으로 줄여 응력 차폐 효과를 줄이고 임플란트의 오래 지속되고 효과적인 기능을 달성할 수 있습니다. 한편, 다공성 구조는 골세포가 임플란트 본체로 성장하기 위한 필수 조건이며, 상호 연결된 다공성 구조는 많은 양의 체액을 통과시켜 골세포의 성장을 더욱 촉진할 수 있습니다.

Guet al. 는 티타늄 알루미늄 바나듐 원소 분말에 발포제 및 활성제인 TiH2를 첨가하여 균일한 기공 크기 분포와 90~190μm 범위의 기공 크기를 갖는 개방형 기공 구조를 갖는 새로운 유형의 TC4 합금을 형성했습니다. 공극률은 약 43% ~ 59% 이고 탄성 계수 범위는 5.8 ~ 9.5GPa입니다. 엔진 외. [35] 기공 형성제 기술과 결합된 분말 사출 성형(PIM) 기술을 사용하여 다중 미세 다공성 티타늄 합금을 제조하고 기공 형성제 폴리메틸 메타크릴레이트의 양이 합금의 밀도, 압축 강도 및 탄성 계수에 미치는 영향을 연구했습니다.

Tunceret al. [36]은 기공 형성제로 일정량의 NaCl과 KCl을 첨가하여 최종 다공성 티타늄 제품의 성능에 대한 초기 분말의 영향을 연구하기 위해 원자화된 구형 분말, HDH 티타늄 분말 및 왁스 기반 바인더 시스템을 사용했습니다. 또한 기공형성제의 양을 조절하여 의료용 임플란트에 요구되는 기공률과 기공크기를 갖는 다공성 티타늄 소재를 얻었으며, 소재의 화학적 조성은 순티타늄 3등급 기준을 충족할 수 있었다.

Chenet al. [37]은 사출 성형 샘플을 준비하기 위해 기공 형성제로 NaCl과 수소화 탈수소화 티타늄 분말 왁스 기반 주입 재료를 사용했습니다. 얻어진 샘플은 42.4% ~ 71.6%의 공극률과 300μm의 공극 크기를 가졌다. 그림 6과 같이 NaCl의 사용량을 조절하면 주입부 내부에 연결된 기공을 형성할 수 있으며 기계적 성질은 해면골과 유사하다.

Barbosaet al. [38] 처음으로 Fe22Cr 분말을 사용하여 서로 다른 바인더 시스템을 사용하여 주입 재료의 유변학적 특성을 테스트했습니다. 성능 테스트 결과에 따라 적절한 왁스 기반 바인더 시스템을 선택했습니다. 그런 다음 Ti 분말과 기공 형성제 NaCl을 결합하여 온간 압착 및 다성분 사출 성형을 수행했습니다. 탈지 및 소결 후, 치밀한 코어 및 외부 기공 구배를 갖는 척추 임플란트 구성요소가 준비되었습니다.

6 NaCl을 공간 홀더로 사용하는 다공성 티타늄 사출 성형 부품

인간의 천연 뼈 조직과 동일한 화학 조성 및 결정 구조를 가진 수산화인회석(HA)은 뼈 대체 및 뼈 재건에 고유한 이점을 가지고 있으며 생체 의학 장치에서 점점 더 중요한 역할을 하기 시작했습니다.

그러나 히알루론산은 취성이 높고 기계적 성질이 열악하기 때문에 단독으로 하중을 견디는 구성 요소로 사용할 수 없어 히알루론산과 티타늄 소재로 구성된 새로운 유형의 생의학 소재가 등장했습니다.

Thianet al. [39-42]은(는) 사출 성형 방법을 사용하여 Ti6Al4V/HA 복합 재료의 준비를 연구했습니다. 먼저, 세라믹 슬러리법을 이용하여 Ti6Al4V/HA 복합분말을 제조하였다. 그 후, 제조된 분말을 시판 바인더 PAN-250S와 혼합하여 주석 주입재를 제조하였다. 사출 재료의 유변학적 특성을 테스트하고, 가열 속도와 Debonding 분위기 가스 유량이 Debonding 결함, Binder 제거량 및 Debonding 공정 중 잔류 탄소 함량에 미치는 영향을 연구했습니다. 소결 공정 매개변수(가열 속도, 소결 온도, 유지 시간, 냉각 속도 등)가 최종 샘플의 성능에 미치는 영향으로 샘플의 약 50%의 다공성을 초래합니다. 또한 체액 환경에서 제조된 Ti6Al4V/HA 물질의 생물학적 분해 과정을 분석하고 기계적 물성 시험 결과를 통해 특성화하였다.

2.2 새로운 티타늄 합금 소재

생물 의학 분야는 티타늄 재료 응용의 중요한 분야로서 응용 수요 방향은 티타늄 재료의 발전 추세에 직접적인 영향을 미칩니다.

초기 티타늄 재료는 순티타늄을 사용（주로 상으로 구성되지만 순수 티타늄 재료는 강도가 낮고 내마모성이 떨어지기 때문에 Ti6Al4V, Ti6Al7Nb 및 Ti5Al2.5Fe와 A형 합금으로 대표되는 고강도 및 고인성 재료가 개발되었습니다. .

Austet al. [43] 그림 7과 같이 Ti6Al7Nb 분말과 왁스 기반 바인더 시스템(파라핀 + PE + 스테아르산)을 사용하여 우수한 성능의 뼈 나사 재료를 성공적으로 제조했습니다. 이 재료의 상대 밀도는 97.6%, 인장 강도는 815MPa입니다. , 항복강도 714MPa, 연신율 8.7%.

연구 결과 널리 사용되는 티타늄 알루미늄 바나듐 합금과 티타늄 알루미늄 니오븀 합금의 Al 및 V와 같은 합금 원소는 임플란트가 인체에 들어간 후 세포 독성 Al 및 V 이온을 방출하여 인체에 해를 끼칩니다.

그 결과 연구진은 Nb, Ta, Zr, Mo, Sn과 같은 생체안전성 원소를 포함하지만 Al 및 V 원소는 포함하지 않는 일련의 차세대 실험을 수행하여 티타늄 합금 시스템을 개발했습니다.

현재 개발 및 연구 중인 생물학적 티타늄 합금은 주로 Ti{0}}Nb, Ti{1}}Nb-13Zr, Ti{3}}Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr 및 Ti{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. 분말 제조 기술과 같은 다양한 한계로 인해 이러한 합금 시스템은 분말 사출 성형 공정에서 널리 사용되지 않습니다.

Zhao et al. [45] 약 95%의 상대 밀도를 갖는 TiNb 이중상 합금을 성공적으로 제조하기 위해 사출 성형 실험에 티타늄 분말과 니오븀 분말을 사용했습니다. Green billet, debonding part, sintered part의 기계적 성질을 시험하고, 다른 합금 성분 함량을 가진 소결된 부품의 미세 구조를 관찰하고 비교함으로써 Nb 함량이 합금의 미세 구조와 기계적 성질에 미치는 영향을 연구했습니다.

Arokiasamy et al. [46] HDH 순수 티타늄 분말에 Fe 및 Zr 원소를 첨가하여 Ti-5Fe-5Zr 합금을 제조하고 합금의 기계적 특성을 측정하였다. 테스트 결과를 바탕으로 잔류 기공의 메커니즘과 합금 재료의 특성에 대한 TiC의 영향을 얻었습니다.

 

Fig.7Ti6Al7Nb 骨钉 MIM에서 제작한 Ti6Al7Nb 뼈 나사

3 전망

티타늄 및 티타늄 합금의 낮은 비중, 높은 비중, 우수한 생체 적합성, 내산화성 및 우수한 내식성은 항공 우주, 의료, 화학, 자동차 및 일상 소비재와 같은 응용 분야에서 큰 발전 가능성을 가지고 있습니다.

단조, 주조 및 기계 가공과 같은 전통적인 가공 기술과 비교하여 분말 사출 성형 기술은 균일한 합금 구성, 높은 원료 활용률 및 복잡한 형상 부품을 대량으로 생산할 수 있는 강력한 생산 능력과 같은 명백한 이점을 가지고 있어 크게 촉진할 수 있습니다. 티타늄 및 티타늄 합금 제품의 생산 및 응용.

티타늄 및 티타늄 합금 사출 성형 연구에서 약간의 진전이 있었지만 고품질 분말 원료의 높은 가격, 불충분 한 변환 및 적용과 같은 실제 산업 생산 공정에서 일련의 문제를 여전히 해결해야합니다. 새로운 고품질 티타늄 합금 시스템의 사출 성형 및 제품 화학 성분 제어의 어려움.

또한 최근 마이크로시스템 기술의 비약적인 발전으로 마이크로시스템에 적용되는 마이크로 컴플렉스 부품에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 분말 사출 성형은 전통적인 제품 유형에서 마이크로 제품으로 전환하고 분말 마이크로 사출 성형 기술로 발전해야 합니다.

현재 미세사출성형 기술은 주로 폴리머, 스테인리스강 등의 소재계에 집중되어 있으며, 티타늄 및 티타늄합금의 미세사출성형에 대해서는 여전히 연구해야 할 과제가 많다.

따라서 티타늄 및 티타늄 합금 사출 성형 연구의 개발은 새로운 티타늄 합금 시스템의 연구 개발, 저비용 및 고품질 티타늄 합금 분말 준비 기술 개발 및 티타늄 소재 미세 사출 성형 연구에 중점을 두어야 합니다. 마이크로 복합 장치에 적합합니다.

티타늄 및 티타늄 합금 사출 성형 기술에 대한 연구가 심화됨에 따라 티타늄 및 티타늄 합금 사출 성형 기술이 크게 발전하여 티타늄 산업의 급속한 발전을 촉진할 것으로 믿어집니다.