チタンおよびチタン合金金属粉末射出成形技術
Mar 20, 2023
チタンおよびチタン合金金属粉末射出成形技術
秦皇島中衛精密機械有限公司は、2008年に継続的な研究開発、革新、試験、金属チタンおよびチタン合金金属の射出成形プロセスを通じて量産を達成しました。必要な顧客がいる場合は、メールを送信してください：business- mall@zw-jm.com 弊社にお問い合わせいただければ、専門のエンジニアが最短営業日以内にタイムリーにご返信させていただきます。
まとめ
チタンおよびチタン合金は、低比重、高比強度、優れた生体適合性、優れた耐食性を兼ね備えており、航空宇宙、生物医学、化学、自動車などの分野で大きな応用可能性を秘めています。
チタンおよびチタン合金の金属粉末射出成形（MIM）技術は、中小型の複雑な形状のチタン製品の大規模かつ低コストの製造を実現できます。これは、チタンおよびチタン合金製品の生産と応用を促進する上で非常に重要です。 。
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ます。 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、粉末原料、バインダーシステム、粉末射出成形、剥離、焼結の側面からまとめています。 現在存在する主な問題に対応して、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
（編集部注：英語の紹介は省略しました…）
1840年代に鉱石から金属チタンを得る工業的製造方法が確立されて以来、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。 しかし、鉄鋼に比べて年間生産量はまだ少なく、原材料費が高いため、その適用範囲は海洋産業、化学産業、航空宇宙産業、医療機器、インプラント、贅沢品などの産業に限られています。材料性能に対する高い要求が伴います。
現時点では、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と成形の難しさにより、その適用範囲が大きく制限されています。
チタンおよびチタン合金の被削性は悪く、従来の機械加工方法では高価な設備と低い加工効率が必要となり、加工コストが大幅に増加します。 機械加工可能なチタン部品の構造は非常に単純であり、加工方法の制限により、材料の性能を最大限に引き出す設計ソリューションを実現できないものがほとんどです。
これに関連して、原材料の利用率が高く、バッチ生産コストが低いという利点がある金属射出成形 (MIM) が、理想的なチタンおよびチタン合金の加工プロセスになっています [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、および必要な後処理などのいくつかの基本プロセスが含まれます。
図1に示すように、まず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ます。 次に、射出材料を一定の温度と圧力で金型に射出し、冷却して型から取り出すと、特定の形状のグリーン製品が得られます。 次に、剥離プロセスを通じて、金属粉末を除くすべての有機成分がグリーン製品から除去され、剥離グリーン製品が形成されます。 最後に、製品の所望の性能を得るために焼結が実行されます。
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、高い加工コスト、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低い生産効率、従来の多くの欠陥などの欠点を克服しました。鋳造プロセス、公差精度が低い。 これにより、チタンおよびチタン合金製品の生産と応用が大幅に促進されました (図 2 を参照)。
1 MIMが製造するチタンおよびチタン合金のフローチャート
2 MIMが製造するチタンおよびチタン合金の用途
チタンおよびチタン合金金属粉末射出成形の研究状況
研究によると、チタンおよびチタン合金射出成形製品の機械的特性、耐食性、生体医学的特性は、相対密度、不純物含有量、合金元素、微細構造の 4 つの側面によって大きく影響されることがわかっています。
射出成形品は焼結後の相対密度が約 95% となり、一定の割合で気孔が残ります。
これらの残留細孔は、サンプルが破損するときに亀裂の発生源となり、材料の引張強度、延性、破壊靱性、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射出成形品の相対密度が高いほど、その機械的特性は向上します。
酸素、炭素、窒素、水素などの不純物元素、特に酸素は、材料の降伏強度、引張強度、硬度を増加させ、延性を低下させる可能性があります。 焼結温度では、母材チタン中に不純物元素が溶解する。 有効な還元剤が不足しているため、焼結プロセス中にチタンおよびチタン合金中の不純物元素を制御することは困難です。 これには、原材料および後続の各プロセス段階に添加される酸素の量を最小限に抑える必要があります。
チタンおよびチタン合金の微細構造（焼結後の粒径や相組成など）は、材料の機械的特性に影響を与える可能性があります。 全体として、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、緻密化時の微細な粒径、および欠陥の少なさを備えています [5]。
1.1 粉末原料
粉末原料の選択は、チタン粉末射出成形プロセスにおける重要なステップです。 粉末の粒径分布と形態は、射出成形コンパウンドの流動性と成形性、剥離プロセス中のグリーンボディの形状保持性、および焼結プロセス中の収縮率に直接影響します。
チタンおよびチタン合金粉末の製造方法としては、機械的方法とアトマイズ法が一般的です。
ボールミル、撹拌ボールミル、高エネルギー振動ボールミル、気流粉砕等の機械的方法により得られる粉末の形状は、一般に不定形または角張ったものである。
水素化脱水素化 (HDH) プロセスは、水素吸収後のチタンの明らかな脆化特性を利用します。 これを機械的粉砕や気流粉砕などにより粉砕し、脱水素処理を行うことで図3(a)に示すような不定形状のチタン粉末が得られます。 アトマイズ法（不活性ガスアトマイズ法、プラズマビーム回転電極アトマイズ法、電極誘導溶融ガスアトマイズ法など）は、完全不活性雰囲気下で行うことができ、原料粉末の高純度を維持することができます。 図 3 (b) に示すように、調製された粉末は形状が球形で、かなり広い粒度分布を持ち、良好なスタッキング性能を備えています。
また、鋼粉の製造技術と異なり、より微細なチタン粉の製造はより困難です。 粒径が小さくなると比表面積が大きくなり、不純物元素の含有量も多くなります。
通常、MIM では粒径 45 μm 未満のチタン粉末が使用されます。 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が分離し、欠陥が形成されやすくなります。 射出材料の配合設計や金型設計を十分に考慮する必要があります[5]。
図3 MIMに使用されるHDH（a）とガスアトマイズチタン粉末（b）
1.2 接着剤
バインダーは射出成形プロセス全体を通じて段階的に存在するキャリアであり、その主な機能は、流動状態の粉末を金型に均一に充填し、所望の形状を形成し、仮焼結段階までそれを維持することです。
射出成形プロセスでは、バインダーは次の特性を備えている必要があります。融点が低く、粉末粒子に対する濡れ性が良く、射出材料の調製に便利な急速凝固。 射出温度での流動性が良好です。 成形後、ビレットから簡単に取り外すことができ、残留材料が少なく、非毒性、非腐食性の分解生成物が発生します。
一般的に言えば、バインダー成分には少なくとも主成分と副次成分が含まれます。
主成分は金属粉末粒子を湿らせて必要な流動性を与えるために使用され、副成分は射出プロセス中および結合剤の主成分を除去した後も射出成形体が十分な強度を維持できるようにします。
ほとんどの場合、バインダー システムには、金属粉末とポリマー間の相溶性を向上させるために、界面活性剤などの 3 番目の成分が含まれています。
バインダー成分の主成分の違いに応じて、一般的に使用されるバインダー系はワックス系、芳香族化合物系、ポリオキシメチレン系、水系に分けることができます。
1.2.1 ワックスベースのバインダー
ワックスベースのシステムバインダーに一般的に使用されるワックスには、パラフィン、蜜蝋、パームワックスなどのいくつかの短鎖ポリマーが含まれます。これらは、他のワックスと比較して、融点が低く、濡れ性が良く、分子鎖が短く、粘度が低く、分解中の体積変化が小さいという特徴があります。ポリマーを使用しているため、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コポリマー、高分子量ポリメチルメタクリレートなどがあります。 ワックスおよびスケルトンバインダーに加えて、粉末とポリマー間の相溶性を改善するために、通常、ステアリン酸などの界面活性剤が添加されます。
文献において最も早く報告されたワックスベースのバインダー系は、Kaneko et al. [6]は、パラフィン ポリブチル メタクリレート エチレン酢酸ビニル コポリマー ジブチル フタレートをバインダーとして使用し、チタン粉末を使用してリマーク注入材料を調製しました。 粉末充填量は 56% で、剥離後 1300 ℃、1.3 Pa で焼結しました。得られた焼結サンプルの相対密度は 94%、圧縮強度は 1000 MPa でしたが、不純物含有量が高いため、延性はほとんどありませんでした。
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、焼結部品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、一部のパラフィンの代わりに濡れ性の良いポリエチレン グリコールを使用し、パラフィン ポリエチレン ポリエチレン ポリプロピレン ステアリン酸 バインダー システムを開発しました。これは、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されました。 焼結部品は良好な形状保持性と小さなインチの波動を示しました。 酸素と炭素の含有量が減少したため、性能が大幅に向上し、良好なパフォーマンスが得られました。
さらに、研究者らは、優れた成形効果を持つワックスベースの結合剤系として、パラフィンワックス [10-13] の部分代替品としてパームワックスを使用し、パラフィンワックス [14] の完全代替品としてパーム油を使用しました。 しかし、パームワックス自体に含まれる酸素元素により、酸素増強源でもあり、
現在、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系は、Friederici et al. によって提案されています。 [15]。 実験プロセスでは、パラフィン、低密度ポリエチレン、ステアリン酸の割合を調整することによって 4 つのバインダー比が形成され、これらの比に基づいて異なる射出材料が形成、剥離、焼結されました。 相対密度 98.1%、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が、有機溶剤を使用した溶剤剥離の効率が低いため、研究者は継続的に革新し、新しいバインダーシステムを開発してきました。
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することができ、低圧条件下では融点以下の温度で昇華によって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が大幅に向上します。
ワイルら。 [16-18] はチタン金属粉末射出成形に芳香族化合物を使用しました。 その研究では、ナフタレン、質量分率 1% のステアリン酸、および質量分率 3% ～ 12% のエチレン酢酸エチレン共重合体をバインダーとして使用して、緻密なチタン アルミニウム バナジウム合金と多孔質チタン アルミニウム バナジウム合金を調製しました。
実験中、ナフタレンは直接気体に昇華するため、剥離プロセス中に液相は現れず、サンプルの体積は変化しませんでした。 溶剤脱脂とは異なり、昇華法では表面エネルギーが比較的低いため、変形や亀裂などの一般的な脱脂不良を回避できます。 最終的に、焼結サンプルの相対密度は 96.6% となり、炭素含有量は増加しませんでした。
接着剤システムは優れた製品性能を達成していますが、システム内の芳香族化合物は依然として環境と身体の健康に影響を及ぼしており、さらなる研究や大規模な応用は行われていません。
1.2.3 ポリオキシメチレン系バインダー
ポリフォームは、1984 年に Celanese Corp によってバインダー システムに初めて使用され、その後 BASF によって開発され、バインダー成分に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]。
このバインダー システムの主成分はポリホルムアルデヒドであり、後の開発プロセス中に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射出成形材料を形成しており、低合金鋼、ステンレス鋼、工具鋼、チタンおよびチタン合金、セラミックなどの多くの材料をカバーしています。
ポリアルデヒドの重要な特徴は、酸性試薬に対する感受性と酸による分解に対する感受性です。 したがって、グリーンボディは、その軟化温度未満の酸性雰囲気で処理することができます。 ポリオキシメチレンのプロセスは固体状態であるため、バインダー成分の沸騰による亀裂や膨張などの欠陥が回避されます。 また、変形が少なく形状保持性が良く、寸法管理が正確です。
さらに、拡散速度が高いため、他の脱脂方法と比較して脱脂速度が速く、従来の溶剤による剥離速度の 10 倍に達し、より厚いサイズの剥離が可能になります [20]。
ポリオキシメチレンベースの結合剤系には上述の多くの利点があるが、多くの欠点もある。
接触剥離プロセスでは、多くの場合、腐食性の高い硝酸蒸気が触媒として使用されます。 一方で、ポリホルムアルデヒドは射出材料の調製および射出成形段階で分解し、非常に有毒なホルムアルデヒドを生成する可能性があります。 さらに、二段階燃焼により分解生成物を除去する必要がある。 一方、触媒の役割を果たす酸性雰囲気は装置の腐食性が高く、より多くの投資が必要となります。
1.2.4 水系バインダー
前述のいくつかの結合剤システムで使用される剥離溶剤 (ヘプタンやヘキサンなど) または結合剤成分の分解生成物 (芳香族化合物モノマーやホルムアルデヒド) は、環境や作業者に多かれ少なかれ有害です。 したがって、環境に優しい溶剤結合剤システムの開発と利用は非常に重要です。
既存の環境に優しいバインダー システムは、剥離溶媒として水を使用しています。
注射剤の調製における水のさまざまな役割に応じて、この種のバインダーシステムはゲルベースと非ゲルベースに分類できます。
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ポリエチレングリコールです。これは優れた性能を持ち、安価で入手が簡単です。 低分子量ポリエチレン グリコールは、一般的に使用される分子量範囲が 500-2000 程度で、60 ℃ で迅速かつほぼ完全に除去できます。 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。
シダンベら。 [21] は、ポリエチレングリコールポリメチルメタクリレートステアリン酸の水溶性バインダー成分を使用して、69パーセントの粉末充填率で研究しました。
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℃の熱剥離アルゴンガス流中で完全に除去されました。 最終的な酸素含有量（質量分率）準備されたサンプルの 0.2 パーセントは、対応する引張強さ 850-880 MPa、伸び 8.5 パーセント -16 パーセントで、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、デンプン寒天などの天然物質です。
戸倉ら [22] はチタン粉末射出成形においてポリマー結合剤の代わりに寒天を使用し、この結合剤系の熱安定性、溶解度、射出材料の粘度を研究しました。
鈴木[24]ら。 質量分率 4 パーセントを含む寒天 (分子量 82 500) 結合剤を使用して、相対密度 97.3 パーセント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 パーセントと 0.3 パーセントです。 降伏強度は 539 MPa、伸びは約 10% です。 実験結果によると、高分子量寒天を使用するとゲル強度は増加しますが、残留炭素と酸素の含有量が多くなり、焼結密度、引張強度、焼結片の伸びが低下します。
非ゲル系水系バインダーは管理が容易で、他の脱脂方法に比べて脱脂設備が安価で、バインダーは生分解性で微生物に対して無毒ですが、脱脂廃水の処理に追加コストがかかります。
ゲルベースのバインダーシステム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のは難しく、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依然として必要です。
1.3 射出成形、剥離、焼結
射出成形プロセスのパラメーターは、射出材料の性能とターゲット製品の幾何学的形状によって決まります。
前述したように、チタン粉末は一般に粒子径が粗く、ステンレス鋼材料の射出成形に比べて粉末バインダーの分離が発生しやすいです。 射出成形の前に、成形されたビレットの欠陥を減らすために、射出材料のレオロジー特性に基づいて適切な成形プロセスパラメータを開発する必要があります。
王ら。 [25] Ti-6Al-4V 合金と粉末ワックスベースの結合剤システムを組み合わせて射出成形材料を調製し、さまざまな粉末充填量と温度下で射出材料のレオロジー特性をテストおよび分析しました。射出成形プロセスに適切な成形パラメータを開発するための基礎を提供します。
パークら。 らは、エアロゾル化チタン粉末、HDH チタン粉末、球状化 HDH チタン粉末を使用して注入材料を調製し、それらのレオロジー特性と剥離挙動を測定しました。 彼らは射出成形材料の成形性指標を提案し、これに基づいて射出材料の性能を評価しました。 分析結果は、注入材料システムで 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根拠を提供しました。
バリエールら。 [27] は、実験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 パラメーターを調査しました。 モデリング技術に基づいて、二相流方程式と新しく開発された陽的アルゴリズムを使用して、数値シミュレーションを使用して射出プロセス中の材料分離現象を予測しました。
チェンら。 [28] 水素化脱水素化 Ti-6Al-4V プレ合金粉末と水溶性バインダー系を使用して注入材料を調製し、その後、水溶性バインダー成分であるポリエチレングリコールの除去率を測定しました。異なる温度で異なる厚さのサンプルで。 バインダー系の剥離メカニズムを決定するために、拡散制御剥離数学モデルが確立されました。
Sidambe [29] らは、Taguchi 法を使用して、焼結温度、時間、加熱速度、雰囲気、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。
ノルら。 [30] は、パームステアリン酸とポリエチレンバインダーシステムを使用して Ti-6Al-4V 射出材料を調製し、タグチメソッドを使用して最適な製造プロセスを定式化しました。 最終的に、降伏強度 934.4 MPa、伸び 10% のサンプルが得られ、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ていました。
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備えた Ti-6Al-4V 試験片を準備し、基本的なプロセス パラメーター システムの変更が熱特性に及ぼす影響を研究しました。 Ti-6Al-4V粉末MIMコンポーネントの脱脂および焼結プロセス。
リンバーグら。 [32] は、射出成形プロセス中に元素粉末の混合物を使用して Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C を調製し、焼結時間の影響を研究しました。引張特性と微細構造に関する雰囲気。 約６３０ＭＰａの引張強さを有するサンプルが得られた。
郭ら。 [8-9] は、射出成形技術を使用して純チタンと Ti-6Al-4V 材料を準備し、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がその特性に及ぼす影響を研究しました。合金素材。 熱処理効果は、微細構造および機械的特性の試験を通じて定性的および定量的に特徴付けられ、その微細構造を図 4 に示します。
リマーク注入材料は、噴霧チタン粉末、水素化脱水素チタン粉末、およびワックスベースのバインダーシステムを混合することによって調製されます。 射出成形後、ヘプタンとエタノールの混合液中で溶剤剥離を行います。 一定の加熱速度で350、420、600℃に加熱した後、結合剤を完全に除去し、焼結温度は1230℃、3時間です。 最終的に、焼結サンプルの引張特性は 389-419 MPa、伸びは 2-4 パーセントでした。
私たちの研究グループ[33]のメンバーは、エアロゾル化チタン粉末と水溶性バインダーのシステムを使用して純チタンサンプルを調製し、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研究しました。 焼結プロセスは、10-4-10-3 Paの真空度で行われ、焼結温度は1350℃、3時間保持後の伸びは20.3パーセントでした。 サンプルは ASTM F2989-13 の最高の粉末冶金性能に完全に準拠しており、相対密度は 96.9 パーセント、引張強度は 443 MPa、生物医学グレード II 純チタン規格です。
4 ワックスベースの原料によって調製された Ti (a) および Ti-6Al-4V サンプルの微細構造 (b)
2 新規チタンおよびチタン合金射出成形材料
チタンおよびチタン合金は現在、整形外科、歯科機器、医療インプラントで広く使用されています。 しかし、チタンと人骨（弾性率約 20 GPa）の機械的特性の違いにより、骨とインプラントの界面で応力遮蔽効果が発生し、図に示すように、長期的な臨床転帰を大きく損なう可能性があります。図5.
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することでチタン材料の機械的特性を調整し、人体の自然な骨の構造と性能に近づけてきました。
5 生体用チタン合金の弾性率の比較
2.1 チタン多孔質材料とチタンセラミック複合材料
多孔質チタン材料および新しいチタン合金系材料は、適切な細孔構造と機械的特性を備えており、整形外科用置換インプラントに最適な材料です。
一方で、インプラントと骨組織の間の応力の不一致を効果的に軽減し、それによって応力遮蔽効果を低減し、インプラントの長期にわたる効果的な機能を実現します。 一方、多孔質構造は骨細胞がインプラント体に成長するために必要な条件であり、相互につながった多孔質構造により多量の体液が通過し、骨細胞の成長がさらに促進されます。
グーら。 は、チタン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、均一な細孔径分布と90〜190μmの範囲の細孔径を有する開気孔構造を有する新しいタイプのTC4合金を形成した。 空隙率は約 43 ～ 59 パーセントで、弾性率は 5.8 ～ 9.5 GPa の範囲です。 エンジンなど [35] は、粉末射出成形 (PIM) 技術と細孔形成剤技術を組み合わせて多孔質チタン合金を調製し、合金の密度、圧縮強度、および弾性率に及ぼす細孔形成剤ポリメチルメタクリレートの量の影響を研究しました。
タンサーら。 [36] は、噴霧化球状粉末、HDH チタン粉末、およびワックスベースの結合剤のシステムを使用して、細孔形成剤として一定量の NaCl および KCl を添加することにより、最終的な多孔質チタン製品の性能に対する初期粉末の影響を研究しました。 さらに、造孔剤の配合量を調整することで、医療用インプラントに必要な気孔率と気孔径を備えた多孔質チタン材料が得られ、材料の化学組成は純チタン第3級規格を満たすことができました。
チェンら。 [37] は、NaCl を細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調製しました。 得られたサンプルの気孔率は 42.4 ～ 71.6 パーセント、気孔サイズは 300 μm でした。 図6に示すように、NaClの使用量を調整することで注入部内部に連通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。
バルボサら。 [38] は、最初に Fe22Cr 粉末を使用して、さまざまなバインダー システムを使用した射出材料のレオロジー特性をテストしました。 性能試験の結果に基づいて、適切なワックスベースのバインダーシステムが選択されました。 次に、Ti 粉末と細孔形成剤 NaCl を組み合わせて、温間プレスと多成分射出成形を行いました。 脱脂および焼結後、緻密なコアと外部気孔率勾配を備えた脊椎インプラント コンポーネントが準備されました。
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
ヒドロキシアパタイト (HA) は、人間の天然骨組織と同じ化学組成および結晶構造を持ち、骨置換および骨再構築において独自の利点を有しており、生物医学機器においてますます重要な役割を果たし始めています。
しかし、HAは脆性が高く、機械的特性が劣るため、単独で耐荷重部品として使用することはできず、HAとチタン材料を組み合わせた新しいタイプの生体材料が登場しました。
ティアンら。 [39-42] は、射出成形法を使用した Ti6Al4V/HA 複合材料の調製を研究しました。 まず、セラミックスラリー法を用いてＴｉ６Ａｌ４Ｖ／ＨＡ複合粉末を調製した。 次に、調製した粉末と市販のバインダーＰＡＮ｛｝｝Ｓとを混合して、リマーク注入材を調製した。 射出材料のレオロジー特性が試験され、加熱速度と剥離雰囲気ガス流量が剥離欠陥、結合剤除去量、剥離プロセス中の残留炭素含有量に及ぼす影響が研究されました。 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）が最終サンプルの性能に与える影響。サンプルの気孔率は約 50 パーセントになります。 さらに、体液環境における調製されたTi6Al4V / HA材料の生物学的分解プロセスを分析し、機械的特性の試験結果を通じて特徴付けました。
2.2 新チタン合金材料
生物医学分野は、チタン材料応用の重要な分野として、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。
初期のチタン材料は純チタン（主に相から構成されていますが、純チタン材料は強度が低く耐摩耗性が低いため、Ti6Al4V、Ti6Al7Nb、Ti5Al2.5FeにA種合金を加えた高強度・高靱性材料が開発されました。 。
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結合剤システム (パラフィン、PE、ステアリン酸) を使用して、優れた性能を備えた骨ねじ材料の製造に成功しました。この材料の相対密度は 97.6 パーセント、引張強度は 815 MPa です。 、降伏強度は 714 MPa、伸びは 8.7 パーセントです。
研究結果によると、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やチタンアルミニウムニオブ合金に含まれるAlやVなどの合金元素は、インプラントが人体に入った後に細胞毒性のあるAlイオンやVイオンを放出し、人体に害を及ぼす可能性があります。
その結果、研究者らは、Nb、Ta、Zr、Mo、Snなどの生体安全性元素を含むが、AlやV元素は含まない一連の新世代実験を実施した。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物チタン合金には、主に Ti{0}}Nb、Ti-13Nb-13Zr、Ti-35Nb-7Zr-5Ta が含まれます、Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr、Ti{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]。 粉末製造技術などのさまざまな制限により、これらの合金系は粉末射出成形プロセスでは広く使用されていません。
趙ら。 [45] は、射出成形実験にチタン粉末とニオブ粉末を使用して、相対密度約 95 パーセントの TiNb 二相合金の製造に成功しました。 グリーンビレット、剥離部品、および焼結部品の機械的特性を試験し、異なる合金組成含有量の焼結部品の微細構造を観察および比較することにより、合金の微細構造および機械的特性に対する Nb 含有量の影響が研究されました。
アロキアサミーら。 [46]は、HDH純チタン粉末にFeおよびZr元素を添加することによってTi-5Fe-5Zr合金を調製し、合金の機械的特性を測定した。 試験結果に基づいて、残留気孔のメカニズムと合金材料の特性に対する TiC の影響が得られました。
図7MIMで作製したTi6Al7Nb骨钉Ti6Al7Nb骨ネジ
3 展望
チタンおよびチタン合金の低比重、高比強度、優れた生体適合性、耐酸化性、優れた耐食性は、航空宇宙、医療、化学、自動車、日用品などの用途において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、均一な合金組成、高い原材料利用率、複雑な形状の部品を大量に生産する強力な生産能力などの明らかな利点があり、これらの技術を大幅に向上させることができます。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の研究はある程度の進歩が見られますが、高品質の粉末原料の価格の高さ、変換や応用の不十分さなど、実際の工業生産プロセスにおいては依然として解決すべき一連の問題が残されています。新しい高品質チタン合金システムの射出成形への応用、および製品の化学組成の制御の難しさ。
また、近年のマイクロシステム技術の急速な発展に伴い、マイクロシステムに応用されるマイクロ複合部品の需要は増加し続けています。 粉末射出成形は従来の製品タイプからマイクロ製品への移行、粉末マイクロ射出成形技術の発展が必要です。
現在、マイクロ射出成形技術はポリマーやステンレス鋼などの材料系が中心であり、チタンやチタン合金のマイクロ射出成形にはまだ検討すべき課題が多い。
したがって、チタンおよびチタン合金射出成形研究の発展は、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に適しています。
チタンおよびチタン合金の射出成形技術の研究の深化により、チタンおよびチタン合金の射出成形技術は大きく進歩し、それによって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。
