チタン及びチタン合金金属粉末射出成形技術の研究進展
Oct 25, 2022
チタン及びチタン合金金属粉末射出成形技術の研究進展
--出典: CNKI、主催: Zhongwei Precision Editor--
テキストは合計16900ワード、読了時間：45分
概要
チタンおよびチタン合金は、比重が低く、比強度が高く、優れた生体適合性と優れた耐食性を備えており、航空宇宙、生物医学、化学、自動車、その他の分野で大きな応用の可能性を秘めています。
チタンおよびチタン合金金属粉末の金属射出成形（MIM）技術は、複雑な形状の中小サイズのチタン製品の大量かつ低コストの準備を実現できます。これは、チタンおよびチタンの生産と応用を促進する上で非常に重要です合金製品。
本稿では、チタンおよびチタン合金の金属粉末射出成形の特徴と利点を紹介し、粉末原料からのチタンおよびチタン合金の金属粉末射出成形技術、結合剤システム、粉末射出成形、剥離および焼結の研究の進歩を要約します。現在の主な問題に従って、チタンおよびチタン合金の金属粉末射出成形の研究方向と開発の見通しを分析します。
キーワード チタン; チタン合金; 射出成形; 研究進捗分類番号TF125.2； TF125.2 プラス 2
金属チタンを鉱石から得る工業生産法が確立された1840年代以降、チタンおよびチタン合金は産業および商業施設で広く使用されてきました。 ただし、鉄鋼に比べて年間生産量はまだ少なく、原材料のコストが高いため、その適用範囲は主に海洋産業、化学産業、航空宇宙産業、医療機器、インプラント、高級品などの産業に限定されています。材料性能に対する高い要件を備えています。
現在、原材料の価格が高いことに加えて、チタンおよびチタン合金の加工および形成の難しさも、その適用範囲を大幅に制限しています。
チタンおよびチタン合金の被削性は劣ります。 伝統的な機械加工方法は、処理装置に費用がかかり、処理効率が低く、処理コストが大幅に増加します。 機械加工できるチタン部品の構造は非常に単純であり、加工方法の制約から、素材の性能を最大限に発揮できる設計スキームを実現できないものがほとんどです。
これに関連して、原材料の高い利用率と低いバッチ生産コストの利点を持つ金属射出成形 (MIM) は、理想的なチタンおよびチタン合金加工プロセスになりました [1 – 4]。
金属粉末射出成形プロセスには、通常、射出材料の準備、射出成形、剥離、焼結、必要な後処理など、いくつかの基本的なプロセスが含まれます。
図1に示すように、金属粉末と有機バインダー成分を混合、混合、造粒して射出材料を調製し、射出材料を特定の温度と圧力で金型に射出します。 冷却後、脱型により特定の形状の製品グリーンが得られ、その後、グリーン内の金属粉末を除くすべての有機成分が剥離プロセスによって除去され、剥離グリーンになり、最終的に必要な性能を備えた製品が得られます。焼結。
金属粉末射出成形技術は、射出成形と従来の粉末冶金技術の有機的な組み合わせを実現し、機械加工プロセスのコストが高い、従来の成形プロセスの単純な形状、静水圧プレスと射出成形プロセスの生産効率が低い、従来の鋳造の多くの欠陥の欠点を克服します。プロセス、低い公差精度、チタンおよびチタン合金製品の製造と応用を大幅に促進します (図 2 を参照)。
図1 チタンおよびチタン合金金属粉末射出成形の工程フロー図
図1 MIMで製造するチタンおよびチタン合金のフロー
図2 中威精密と北京が2002年に共同開発し、2004年に量産を達成したチタンおよびチタン合金金属粉末射出成形の応用例
図2 MIM製チタンおよびチタン合金の用途
この論文では、チタンおよびチタン合金金属粉末射出成形の特徴と利点を紹介し、粉末原料、一般的に使用されるバインダーシステム、射出成形、剥離および焼結からのチタンおよびチタン合金金属粉末射出成形技術の研究の進歩を要約し、分析します。現在の主な問題を考慮して、チタンおよびチタン合金金属粉末射出成形の研究方向。
チタンおよびチタン合金金属粉末射出成形の研究状況
この研究は、チタンおよびチタン合金の射出成形製品の機械的特性、耐食性、および生物医学的特性が、相対密度、不純物含有量、合金元素、および微細構造によって大きく影響されることを示しています。
焼結後の射出成形品の相対密度は約 95% で、一定の割合の残留気孔があります。
これらの残留気孔は、サンプルが破損したときに亀裂の原因となり、材料の引張強度、延性、破壊靭性、疲労強度、およびその他の機械的特性に大きな影響を与えます。 したがって、チタンおよびチタン合金の射出成形品の相対密度が高いほど、機械的特性が向上します。
酸素、炭素、窒素、水素などの不純物、特に酸素は、材料の降伏強度、引張強度、硬度を向上させ、延性を低下させます。 不純物は焼結温度でマトリクスチタンに溶解する。 有効な還元剤がないため、チタンおよびチタン合金の焼結工程で不純物を制御することは難しく、原料およびその後の各工程で添加される酸素の量を可能な限り減らす必要があります。
チタンおよびチタン合金の微細構造は、焼結後の粒子サイズおよび相組成を含め、材料の機械的特性に影響を与えます。 一言で言えば、優れた性能を備えた射出成形チタンおよびチタン合金材料は、高密度、低不純物含有量 (通常は酸素含有量)、適切な合金組成、微粒子、および高密度化中の欠陥がほとんどありません [5]。
1.1 粉末原料
粉末原材料の選択は、チタン粉末射出成形のプロセスにおける重要なステップです。 粉末の粒度分布と形態は、射出材料の流動性と成形性、剥離プロセス中の未加工体の形状保持、および焼結プロセス中の収縮に直接影響します。
現在、チタンおよびチタン合金粉末の一般的に使用される調製方法には、機械的方法と噴霧方法が含まれます。
メカニカルミリング（ボールミリング、攪拌ボールミリング、高エネルギー振動ボールミリング、気流ミリングなど）によって生成される粉末の形状は、一般に不規則または角張っています。
水素化脱水素（HDH）プロセスは、水素を吸収した後のチタンの明らかな脆さを利用して、機械的粉砕または気流粉砕によって粉砕し、脱水素して、図3（a）に示すように不規則な形状のチタン粉末を得る方法です。 . アトマイズ法（不活性ガスアトマイズ、プラズマビーム回転電極アトマイズ、電極誘導溶解ガスアトマイズなど）は、原料粉末の高純度を維持するために、完全に不活性雰囲気で実施することができます。 図 3 (b) に示すように、粉末は球形で、かなり広い粒子サイズ分布と優れたスタッキング性能を備えています。
また、鋼粉の製造技術とは異なり、チタン粉末はより微細な粒子サイズのものを製造することが困難です。 粒子サイズが小さくなると、比表面積が増加し、不純物の含有量も増加します。
一般に、MIM で使用されるチタン粉末の粒子サイズは 45 μ m 未満です。 粉末粒子が大きすぎると、射出プロセスで粉末バインダーの分離が生じやすくなり、欠陥が形成されるため、射出材料の組成設計および金型設計で十分に考慮する必要があります[5]。
図3 射出成形用水素化脱水素チタン粉末(a)とエアロゾルチタン粉末(b)
Fig.3 HDH（a）とガスアトマイズ（b）MIMに使用されるチタン粉末
1.2 バインダー
バインダーは、射出成形プロセス全体で段階的に存在する担体です。 その主な役割は、粉末を流動状態で金型に均一に充填させ、必要な形状を形成し、焼結前の段階まで維持することです。
射出成形のプロセスでは、バインダーは次の特性を備えている必要があります。低融点、粉末粒子に対する良好な濡れ性、および射出材料の調製に便利な急速硬化。 射出温度での流動性が良好です。 成形後、素地からの剥離が容易で、残渣が少ない。 分解生成物は無毒で非腐食性です。
一般的に言えば、バインダー成分は、少なくとも主成分と副成分を含むものとします。
主成分は、金属粉末粒子を濡らし、必要な流動性を提供するために使用されますが、二次成分は、射出プロセス中およびバインダーの主成分が除去された後も、射出グリーンボディが十分な強度を維持することを保証します。
ほとんどの場合、結合剤系には、金属粉末とポリマー間の相溶性を改善するために、界面活性剤などの第 3 の成分が含まれています。
バインダー成分のさまざまな主成分に応じて、一般的に使用されるバインダー システムは、ワックス ベースのシステム、芳香族化合物ベースのシステム、パラホルムアルデヒド ベースのシステム、および水ベースのシステムに分けることができます。
1.2.1 ワックス系バインダー
ワックス系接着剤で一般的に使用されるワックスは、パラフィンワックス、蜜ろう、パームワックス、およびその他の短鎖ポリマーです。 融点が低く、濡れ性が良く、分子鎖が短く、粘度が低く、分解時の体積変化が他のポリマーよりも少ないため、製品の寸法精度を確保するのに役立ちます。
ワックスベースのシステムで一般的に使用される二次成分には、ポリプロピレン、ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、および高分子量ポリメチルメタクリレートが含まれます。 ワックスと骨格バインダーに加えて、通常、ステアリン酸などの界面活性剤を添加して、粉末とポリマー間の相溶性を改善します。
文献で最初に報告されたワックスベースのバインダーシステムは、Kaneko et al。
加藤ら。 [7] は、真空剥離とアルゴン雰囲気剥離を組み合わせた 2 段階の剥離プロセスを研究しました。これにより、焼結片の炭素と酸素の含有量が大幅に減少しました。
郭ら。 [8 – 9] は、パラフィンの一部をより良好な濡れ性を持つポリエチレングリコールを使用して、パラフィン – ポリエチレングリコール – ポリエチレン – ポリプロピレン – ステアリン酸バインダー システムを開発し、純チタンおよびチタン アルミニウム バナジウム合金の射出成形に使用しました。 焼結部品は形状保持性が良く、動きが少ない。 酸素と炭素含有量の削減により、パフォーマンスも大幅に向上し、パフォーマンスが向上しました。
さらに、一部の研究者は、パーム ワックスを使用してパラフィン ワックスを部分的に置き換え [10 – 13]、パーム油を使用してワックス ベースのバインダー システムのパラフィン ワックスを完全に置き換えました [14]。 ただし、パームワックス自体に含まれる酸素元素も酸素増加源であるため、最終製品の炭素と酸素の含有量はわずかに高く、その機械的特性はパラフィン系ほど良くありません。
文献で報告されている最適なワックス ベースのバインダー システムは、Friederici らによって提案されました。 [15]。 実験中、パラフィン、低密度ポリエチレン、ステアリン酸の比率を調整することにより、4 種類のバインダー比率を形成し、異なる射出材料の形成、剥離、および焼結プロセスを実行しました。 相対密度が 98.1% で、化学組成が二次純チタンの要件を満たすサンプルが得られました。
ワックスベースのバインダーシステムは、射出成形において重要な役割を果たします。 ただし、ワックスベースのバインダーシステムの溶剤剥離に使用される有機溶剤の脱脂効率が低いため、研究者はこれに基づいて革新を続け、新しいバインダーシステムを開発しています。
1.2.2 芳香族化合物系バインダー
芳香族化合物（ナフタレン、アントラセンなど）は、非常に低い温度で溶解できます。 低圧条件下では、融点よりも低い温度で昇華することにより、固体から気体に直接変換できます。 バインダー成分として芳香族化合物を使用すると、剥離プロセスの効率を大幅に向上させることができます。
ワイル等。 [16 – 18] は、チタン金属粉末の射出成形で芳香族化合物を使用しました。 この研究では、ナフタレン、1% のステアリン酸、および 3% ～ 12% の酢酸ビニル共重合体を結合剤として使用して、緻密で多孔性のチタン アルミニウム バナジウム合金を調製しました。
実験中、ナフタレンが直接気体に昇華するため、剥離プロセスで液相が発生せず、サンプルの体積が変化せず、溶媒脱脂とは異なり、昇華法に関与する表面エネルギーが低く、つまり変形やひび割れなどの一般的な脱脂欠陥を回避できます。 その結果,焼結試料の相対密度は96.6%であり,炭素含有量は増加しなかった。
バインダーシステムは優れた製品性能を達成しましたが、システム内の芳香族化合物は依然として環境と健康に影響を与えており、その後の研究や大規模な適用は行われていません.
1.2.3 ポリホルムアルデヒド系バインダー
ポリホルムアルデヒドは、1984 年に Celanese Corp によってバインダー システムで最初に使用され、その後 BASF によって開発され、バインダー成分がワックスや低分子量成分を含まないことが可能になりました [19]。
バインダー系の主成分はポリホルムアルデヒドで、その後の開発工程で骨格バインダーとしてポリエチレン（PE）が徐々に追加されます。
現在、BASF は、このバインダー システムに基づいて、低合金鋼、ステンレス鋼、工具鋼、チタン、チタン合金、およびセラミックスを含む射出成形材料を形成しています。
POM の顕著な特徴は、酸性試薬に敏感で、酸分解しやすいことです。 したがって、未加工ビレットは、軟化温度よりも低い酸性雰囲気で処理することができます。 このプロセスでは、ポリオキシメチレンは固体状態であり、バインダー成分の沸騰によって引き起こされるクラックや膨張などの欠陥が回避されます。 さらに、生のビレットは、変形が少なく、保形性が高く、寸法管理が正確です。
さらに、拡散速度が大きいため、他の脱脂方法と比較して脱脂速度が高く、従来の溶剤剥離の 10 倍の速度に達することができ、より厚いサイズの剥離が可能です [20]。
ポリオキシメチレンベースの結合剤系には、上記の多くの利点がありますが、多くの欠点もあります。
腐食性の高い硝酸蒸気は、一般的に接触剥離プロセスの触媒として使用されます。 一方で、ポリオキシメチレンは射出材料の製造および射出成形の初期段階で分解し、毒性の高いホルムアルデヒドを生成する可能性があり、分解生成物は 2 段階の燃焼によって除去する必要があります。 一方、触媒の役割を果たしている酸性雰囲気は、機器に対して非常に腐食性が高く、より多くの投資が必要です。
1.2.4 水性バインダー
上記のいくつかの結合剤系で使用される脱結合溶媒（ヘプタンやヘキサンなど）または結合剤成分（芳香族化合物モノマーやホルムアルデヒド）の分解生成物は、多かれ少なかれ環境や作業者に有害です。 したがって、環境に優しい溶剤を使用したバインダー システムを開発し、利用することは非常に重要です。
既存の環境に優しいバインダー システムは、水を剥離溶媒として使用します。
注射剤の調製における水のさまざまな役割に応じて、この種の結合剤系は、ゲルベースと非ゲルベースに分けることができます。
非ゲルベースのシステムで使用される一般的なポリマーは、優れた性能を持ち、安価で入手しやすいポリエチレングリコールです。 低分子量ポリエチレングリコールは、60℃で迅速かつ完全に除去でき、一般的に使用されるポリエチレングリコールの分子量は約500～2000です。 一般的に使用される骨格バインダーは、分子量 10000 のポリメチルメタクリレートです。
シダンベ等。
実験では、ポリエチレングリコールは 55 ℃ の水中で 5 時間後に完全に除去され、ポリメチルメタクリレートは 440 ℃ の高温脱着アルゴン流で完全に除去されました。 準備されたサンプルの最終的な酸素含有量 (質量分率) は 0.2% で、対応する引張強度は 850 ~ 880 MPa、伸びは 8.5% ~ 16% で、ASTM グレード 5 Ti 規格を満たしています。
ほとんどのゲルベースのバインダーは、セルロース、スターチ寒天などの天然物質です。
戸倉 [22] 他 は、チタン粉末射出成形のポリマーバインダーの代わりに寒天を使用し、バインダーシステムの熱安定性、溶解性、および粘度を研究しました。
メタル パウダー レポート (MPR) [23] は、寒天、水、およびゲル強化材料で構成される寒天ベースのバインダーを使用したチタン合金歯科インプラントの製造に関する研究を報告しています。
鈴木 [24] 他 質量分率 4% の寒天 (分子量 82 500) 結合剤を使用して、相対密度 97.3% のサンプルを調製しました。 サンプルの炭素と酸素の質量分率は、それぞれ 0.33% と 0.3% です。 降伏強度は 539 MPa で、伸びは約 10% です。 実験結果は、高分子量寒天を使用すると、ゲル強度が増加するが、残留炭素と酸素の含有量が高く、その結果、焼結密度、引張強度、および焼結片の伸びが低下することを示しています。
非ゲルベースの水ベースのバインダーは制御が容易であり、脱脂装置は他の脱脂方法よりも安価であり、バインダーは生分解性で微生物に対して無毒ですが、脱脂のための廃水の処理には追加費用が必要です。
ゲルベースのバインダー系射出成形コンパウンドで製造される最終部品のサイズを制御することは難しく、組成が十分に安定していないため、プロセス条件と品質管理が難しく、さらなる研究と最適化が必要です。
1.3 射出成形、剥離、焼結
射出成形のプロセス パラメータは、射出コンパウンドの特性と対象製品の形状によって決まります。
前述のように、チタン粉末の粒子サイズは通常比較的粗く、ステンレス鋼材料の射出成形と比較して、粉末結合剤の分離が起こりやすいです。 射出成形の前に、射出材料のレオロジー特性に応じて適切な成形プロセス パラメータを策定し、成形されたグリーン ボディの欠陥を低減する必要があります。
王ら。
パーク [26] 他。 エアロゾル化チタン粉末、HDH チタン粉末、および球状化 HDH チタン粉末を用いて射出材料を調製し、それらのレオロジー特性と剥離挙動を測定し、射出材料の成形性指標を提案し、これに基づいて射出材料の特性を評価しました。 分析結果は、射出材料システムで HDH 粉末とエアロゾル化粉末を同時に使用するための理論的基礎を提供しました。
Barriere [27] らは、実験的および数値シミュレーション プロセスに基づいて、欠陥がなく、必要な機械的特性を備えた金属射出成形部品を製造するための最適なプロセス パラメータについて議論しました。 モデリング技術に基づき、二相流方程式と新たに開発した陽解法アルゴリズムを用いて、数値シミュレーションを用いて射出プロセスにおける材料分離現象を予測しました。
チェン [28] ら。 水素化脱水素 Ti – 6Al – 4V プレアロイ粉末と水溶性バインダー システムを使用してコメント フィードを調製し、異なる温度で異なる厚さのサンプルの水溶性バインダー成分ポリエチレングリコールの除去率を測定し、拡散制御剥離数学モデルを確立しました。 、およびバインダーシステムの剥離メカニズムを決定しました。
Sidambe [29] 他。 田口の方法を使用して、焼結温度、時間、加熱速度、雰囲気、およびその他のパラメーターの最適な組み合わせを決定しました。
もら。 [30] は、ハードパームエステルとポリエチレンバインダーシステムを使用して Ti – 6Al – 4V 注入材料を調製し、タグチメソッドを使用して最適な製造プロセスを策定しました。 最終的に、934.4 MPa の降伏強度と 10 パーセントの伸びを持つサンプルが得られ、その全体的な性能は ASTM B348-02 医療用チタン合金の要件を満たしました。
オバシら。 [31] ASTM B348 – 02 チタン合金グレード 23 の要件を満たす特性を持つ Ti – 6Al – 4V サンプルを準備し、Ti – 6Al – 4V の熱脱脂および焼結プロセスに対する基本プロセス パラメータ システムの変更の影響を研究しました。粉末 MIM コンポーネント。
リンバーグ等。 [32] 射出成形プロセスで単純な粉末を混合することによって Ti – 45Al – 5Nb – 0.2B – 0.2C を調製し、焼結時間と焼結雰囲気が引張特性と微細構造に及ぼす影響を研究し、約630MPaの引張強さのサンプルが得られました。
郭ら。 [8 – 9] 射出成形技術によって純チタンおよび Ti – 6Al – 4V 材料を調製し、合金材料の特性に対する熱間静水圧プレスやアニーリングなどの熱処理プロセスの影響を研究し、熱処理効果を定性的および定量的に特徴付けました。微細構造の機械的特性試験による。 その微細構造を図 4 に示します。
リマークフィードは、噴霧化チタン粉末、水素化脱水素化チタン粉末およびワックスベースの結合剤系を混合することによって調製される。 射出成形後、ヘプタンとエタノールの混合溶媒中で剥離します。 350℃、420℃、600℃まで一定の昇温速度で昇温した後、保温によりバインダーを完全に除去します。 焼結温度は 1230 ℃、保温は 3 時間です。 最後に、焼結サンプルの引張特性は 389 ～ 419 MPa であり、伸びは 2% ～ 4% です。
研究グループ [33] のメンバーは、エアロゾル チタン粉末と水溶性バインダー システムを使用して純チタン サンプルを準備し、純チタン サンプルの特性に対する焼結温度と保持時間の影響を調べました。 焼結工程は 10-4~10-3 Pa の真空下で行われ、焼結温度は 1350 ℃ で、3 時間保持後の伸びは 20.3% であり、ASTM F{{8 に完全に準拠しています。 }}、最高の粉末冶金性能を備えたサンプル、相対密度は 96.9%、引張強度は 443 MPa、バイオメディカル グレード II 純チタン標準でした。
図4 純チタン（a）およびワックスベースのバインダー注入で調製されたチタンアルミニウムバナジウム合金（b）サンプルの微細構造
図 4 ワックスベースの原料で調製した Ti (a) および Ti-6Al-4V (b) サンプルの微細構造
2 新しいチタンおよびチタン合金射出成形材料
現在、チタンおよびチタン合金は、整形外科、口腔病学関連の器具、および医療用インプラントで広く使用されています。 ただし、それらの機械的特性と人間の骨の機械的特性 (約 20 GPa の弾性率) の違いにより、応力遮蔽効果が骨/インプラントの界面で発生し、長期的な臨床効果の大幅な低下につながる可能性があります。図 5 に示します。
したがって、研究者は、チタン材料の構造と合金組成を変更して、チタン材料の機械的特性を調整し、人間の自然な骨の構造と性能に近づけました。
図5 一般的な医療用チタン合金材料の弾性率比較
図5 生体用チタン合金の弾性率比較
2.1 多孔質チタン材料とチタン-セラミック複合材料
多孔質チタン材料と新しいチタン合金系材料は、適切な気孔構造と機械的特性を持ち、理想的な整形外科用インプラント材料です。
一方では、インプラントと骨組織の間の応力の不一致を効果的に減らすことができ、それによって応力遮蔽効果を減らし、インプラントの永続的かつ効果的な機能を実現します。 一方、ポーラス構造は骨細胞がインプラント体に成長するための必要条件です。 相互接続された多孔質構造は、大量の体液を通過させることができ、骨細胞の成長をさらに促進することができます.
区 [34] ら。 チタニウム アルミニウム バナジウム元素粉末に発泡剤および活性化剤として TiH2 を添加することにより、90 ～ 190 μ m の均一な細孔サイズ分布を持つ新しい TC4 合金を形成しました。 気孔率は約 43% ～ 59% で、弾性率は 5.8 ～ 9.5 GPa です。 エンジン等 [35] は、気孔形成剤技術と組み合わせた粉末射出成形 (PIM) によって微孔性チタン合金を調製し、気孔形成剤ポリメチルメタクリレートの量が合金の密度、圧縮抵抗、および弾性率に及ぼす影響を研究しました。
チューナー他
チェン [37] ら。 は、NaCl を気孔形成剤として使用し、水素化脱水素チタン粉末ワックス ベースの射出材料を使用して、射出成形サンプルを作成しました。 得られたサンプルの気孔率は 42.4% ～ 71.6% で、気孔径は 300 μ m に達しました。 図 6 に示すように、NaCl の量を調整することにより、注入部分に接続孔を形成することができ、その機械的性質は海綿骨に似ています。
バルボサ等。
図 6 NaCl を気孔形成剤として使用した多孔質チタン射出成形部品
図6 NaClをスペースホルダーとして使用した多孔質チタン射出成形部品
ハイドロキシアパタイト (HA) は、人間の自然な骨組織と同じ化学組成と結晶構造を持ち、骨の置換と再構築において独自の利点があり、生物医学デバイスでますます重要な役割を果たし始めています。
ただし、HA はもろく、機械的特性が悪いため、単独で耐荷重コンポーネントとして使用することはできません。 そのため、HA とチタン材料で構成された新しい生体材料が登場しました。
ティアン等。 [39 – 42] は、射出成形による Ti6Al4V/HA 複合材料の調製を研究しました。 まず、Ti6Al4V/HA 複合粉末をセラミック スラリー プロセスによって調製し、調製した粉末を市販のバインダー PAN-250S と混合して備考を調製しました。 射出混合物のレオロジー特性を試験し,剥離部分の欠陥,剥離プロセスにおける結合剤の除去量および残留炭素含有量に及ぼす剥離雰囲気の加熱速度およびガス流速の影響を研究した。 ; 最終サンプルの特性に対する焼結プロセス パラメータ (加熱速度、焼結温度、保持時間、冷却速度など) の影響。準備されたサンプルの気孔率は約 50% です。 さらに、体液環境での準備された Ti6Al4V/HA 材料の生物学的分解プロセスを分析し、機械的特性のテスト結果によって特徴付けました。
2.2 チタン合金の新素材
生物医学分野はチタン材料応用の重要な分野であり、その応用需要の方向性はチタン材料の開発動向に直接影響します。
初期のチタン材は純チタン（Phase）であったが、純チタン材は強度が低く耐摩耗性に劣るため、Ti6Al4V、Ti6Al7Nb、Ti5Al2.5Fe plus Type 合金に代表される高強度・高靭性合金を開発した。
オーストら。 [43] は、図 7 に示すように、Ti6Al7Nb 粉末とワックス ベースのバインダー システム (パラフィン + PE + ステアリン酸) を使用して、優れた性能を持つ骨ねじ材料の製造に成功しました。 714 MPa、伸びは 8.7% です。
研究結果によると、現在広く使用されているチタン アルミニウム バナジウム合金およびチタン アルミニウム ニオブ合金の Al、V およびその他の合金元素は、インプラントが人体に入った後に細胞毒性の Al、V イオンを放出し、人体に害を及ぼすことが示されています。 .
その結果、研究者らは、Nb、Ta、Zr、Mo、Sn などのバイオセーフティ元素を含み、Al、V 元素を含まない一連の新世代のバイオセーフティ試験を実施したチタン合金システムの開発。
現在開発および研究されている生体チタン合金には、主に Ti-15Nb、Ti{1}}Nb-13Zr、Ti{3}}Nb-7Zr-5Ta が含まれます、Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1ZrおよびTi-29 Nb-13Ta-4.6Zr [44]。 粉末製造技術およびその他の側面の制限により、これらの合金系が粉末射出成形に使用されることはめったにありません。
趙ら。
Arokiasamy ら。 [46] は、HDH 純チタン粉末に Fe および Zr 元素を添加して Ti + 5Fe + 5Zr 合金を調製し、合金の機械的特性を測定しました。 試験結果に基づいて、合金材料の特性に及ぼす残留気孔率と TiC の影響のメカニズムが得られました。
図7 金属粉末射出成形
図 7 金属射出成形法で作製した Ti6Al7Nb 骨ねじ Ti6Al7Nb 骨ねじ MIM 秦皇島中威精密機械有限公司が製造
3 展望
チタンおよびチタン合金は、その低比重、高比強度、優れた生体適合性と耐酸化性、優れた耐食性により、航空宇宙、医療、化学、自動車、および消費財の用途で大きな発展の可能性を秘めています。
鍛造、鋳造、機械加工などの従来の加工技術と比較して、粉末射出成形技術には明らかな利点があり、合金組成が均一で、原材料の利用率が高く、大量の複雑な形状の部品の強力な生産能力があり、チタンおよびチタン合金製品の製造と応用。
チタンおよびチタン合金の射出成形に関する研究は一定の進歩を遂げたものの、実際の工業生産プロセスでは、高品質の粉末原料の高価格、新しい材料の不十分な適用など、解決すべき一連の問題が残っています。高品質のチタン合金システムを射出成形に適用し、製品の化学組成を制御することの難しさ。
さらに、近年のマイクロシステム技術の急速な発展に伴い、マイクロシステムで使用されるマイクロ複雑なコンポーネントの需要が増加しており、粉末射出成形は従来の製品タイプからマイクロ製品に移行し、粉末マイクロ射出成形に発展する必要があります。テクノロジー。
現在、マイクロ射出成形技術は、主にポリマー、ステンレス鋼、およびその他の材料システムに焦点を当てています。 チタンおよびチタン合金のマイクロ射出成形には、まだ研究すべき多くの問題があります。
したがって、チタンおよびチタン合金射出成形研究の開発は、新しいチタン合金システムの研究開発、低コストで高品質のチタン合金粉末調製技術の開発、およびチタン材料のマイクロ射出成形の研究に焦点を当てる必要があります。マイクロ複合デバイス。
チタンおよびチタン合金の射出成形技術に関する詳細な研究により、チタンおよびチタン合金の射出成形技術は大きな進歩を遂げ、チタン産業の急速な発展を促進すると考えられています。
