Progrès de la recherche sur la technologie de moulage par injection de poudre métallique de titane et d'alliage de titane

Progrès de la recherche sur la technologie de moulage par injection de poudre métallique de titane et d'alliage de titane

--Source : CNKI, organisé par : Zhongwei Precision Editor--

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Sommaire

Le titane et les alliages de titane ont une faible densité, une résistance spécifique élevée, une excellente biocompatibilité et une bonne résistance à la corrosion, et ont un grand potentiel d'application dans les domaines aérospatial, biomédical, chimique, automobile et autres.

La technologie de moulage par injection de métal (MIM) de la poudre métallique de titane et d'alliage de titane peut réaliser la préparation en masse et à faible coût de produits en titane de petite et moyenne taille aux formes complexes, ce qui est d'une grande importance pour promouvoir la production et l'application du titane et du titane produits en alliage.

Cet article présente les caractéristiques et les avantages du moulage par injection de poudre métallique de titane et d'alliages de titane, résume les progrès de la recherche sur la technologie de moulage par injection de poudre métallique de titane et d'alliages de titane à partir de matières premières en poudre, système de liant, moulage par injection de poudre, décollement et frittage, et analyse l'orientation de la recherche et les perspectives de développement du moulage par injection de poudres métalliques de titane et d'alliages de titane en fonction des principaux problèmes actuels.

Mots clés Titane ; Alliage de titane; Moulage par injection; Classement d'avancement de la recherche n° TF125.2 ; TF125.2 plus 2

Depuis les années 1840, lorsque les gens maîtrisaient la méthode de production industrielle consistant à obtenir du titane métallique à partir de minerais, le titane et les alliages de titane ont été largement utilisés dans les installations industrielles et commerciales. Cependant, par rapport à l'acier, sa production annuelle est encore faible et, en raison du coût élevé des matières premières, son champ d'application est principalement limité à l'industrie maritime, à l'industrie chimique, à l'industrie aérospatiale, aux dispositifs médicaux, aux implants et aux produits de luxe et à d'autres industries. avec des exigences élevées en matière de performances des matériaux.

Actuellement, outre le prix élevé des matières premières, la difficulté de transformation et de mise en forme du titane et des alliages de titane limite également fortement leur champ d'application.

L'usinabilité du titane et des alliages de titane est médiocre. La méthode d'usinage traditionnelle est coûteuse pour traiter l'équipement et faible en efficacité de traitement, ce qui augmente considérablement le coût de traitement; Les structures des pièces en titane qui peuvent être usinées sont très simples, et la plupart d'entre elles ne permettent pas d'atteindre le schéma de conception qui peut faire jouer les performances optimales des matériaux en raison des limitations des méthodes de traitement.

Dans ce contexte, le moulage par injection de métal (MIM), qui présente les avantages d'un taux d'utilisation élevé des matières premières et d'un faible coût de production par lots, est devenu un procédé de traitement idéal du titane et des alliages de titane [1 - 4].

Le processus de moulage par injection de poudre métallique comprend généralement plusieurs processus de base, tels que la préparation du matériau d'injection, le moulage par injection, le décollement, le frittage et le post-traitement nécessaire.

Comme le montre la figure 1, les composants de poudre métallique et de liant organique sont mélangés, mélangés et granulés pour préparer le matériau d'injection, puis le matériau d'injection est injecté dans le moule à une certaine température et pression. Après refroidissement, le produit vert avec une forme spécifique est obtenu par démoulage, puis tous les composants organiques à l'exception de la poudre métallique dans le vert sont éliminés par le processus de décollement pour devenir le vert de décollement, et enfin le produit avec les performances requises est obtenu par frittage.

La technologie de moulage par injection de poudre métallique réalise la combinaison organique du moulage par injection et de la technologie traditionnelle de la métallurgie des poudres, surmonte les lacunes du coût élevé du processus d'usinage, la forme simple du processus de moulage traditionnel, la faible efficacité de production du processus de pressage isostatique et de moulage par injection, de nombreux défauts du moulage traditionnel processus, faible précision de tolérance et favorise grandement la production et l'application de produits en titane et alliages de titane (comme illustré à la figure 2).

Fig. 1 Organigramme du processus de moulage par injection de poudre métallique de titane et d'alliage de titane

Fig.1 Organigramme du titane et des alliages de titane fabriqués par MIM

Fig. 2 Exemples d'application du moulage par injection de poudre métallique de titane et d'alliage de titane développé conjointement par Zhongwei Precision et Pékin en 2002, et la production de masse a été réalisée en 2004

Fig. 2 Application du titane et de l'alliage de titane fabriqué par MIM

Cet article présente les caractéristiques et les avantages du moulage par injection de poudre métallique de titane et d'alliage de titane, résume les progrès de la recherche sur la technologie de moulage par injection de poudre métallique de titane et d'alliage de titane à partir de matières premières en poudre, les systèmes de liant couramment utilisés, le moulage par injection, le décollement et le frittage, et analyse la direction de recherche du moulage par injection de poudres métalliques de titane et d'alliages de titane au vu des principaux problèmes actuels.

État de la recherche sur le moulage par injection de poudre métallique de titane et d'alliage de titane

La recherche montre que les propriétés mécaniques, la résistance à la corrosion et les propriétés biomédicales des produits moulés par injection de titane et d'alliages de titane sont fortement affectées par la densité relative, la teneur en impuretés, les éléments d'alliage et la microstructure.

Après le frittage, la densité relative des produits moulés par injection est d'environ 95 % et il y aura une certaine proportion de pores résiduels.

Ces pores résiduels deviendront la source de fissures lorsque l'échantillon se brisera et auront un impact important sur la résistance à la traction, la ductilité, la ténacité à la rupture, la résistance à la fatigue et d'autres propriétés mécaniques du matériau. Par conséquent, plus la densité relative des produits moulés par injection de titane et d'alliage de titane est élevée, meilleures sont leurs propriétés mécaniques.

Les impuretés telles que l'oxygène, le carbone, l'azote, l'hydrogène, etc., en particulier l'oxygène, améliorent la limite d'élasticité, la résistance à la traction et la dureté des matériaux, et réduisent la ductilité. Les impuretés sont dissoutes dans la matrice de titane à la température de frittage. Parce qu'il n'y a pas d'agent réducteur efficace, il est difficile de contrôler les impuretés du titane et des alliages de titane pendant le processus de frittage, il est donc nécessaire de réduire autant que possible la quantité d'oxygène ajoutée dans les matières premières et chaque processus ultérieur.

La microstructure du titane et des alliages de titane, y compris la taille des grains et la composition de la phase après frittage, affectera les propriétés mécaniques des matériaux. En un mot, les matériaux en titane et alliages de titane moulés par injection avec d'excellentes performances ont une densité élevée, une faible teneur en impuretés (généralement une teneur en oxygène), une composition d'alliage appropriée, des grains fins et peu de défauts lors de la densification [5].

1.1 Matières premières en poudre

La sélection des matières premières en poudre est une étape importante dans le processus de moulage par injection de poudre de titane. La distribution granulométrique et la morphologie de la poudre affectent directement la fluidité et la formabilité du matériau d'injection, la conservation de la forme du corps cru pendant le processus de décollement et le retrait pendant le processus de frittage.

À l'heure actuelle, les méthodes de préparation couramment utilisées de la poudre de titane et d'alliage de titane comprennent la méthode mécanique et la méthode d'atomisation.

La forme de la poudre produite par broyage mécanique (comme le broyage à boulets, le broyage à boulets avec agitation, le broyage à billes à vibration à haute énergie et le broyage à flux d'air) est généralement irrégulière ou angulaire.

Le procédé d'hydrogénation déshydrogénation (HDH) consiste à tirer parti de la fragilité évidente du titane après absorption d'hydrogène, à l'écraser par broyage mécanique ou broyage par flux d'air, puis à le déshydrogéner pour obtenir une poudre de titane de forme irrégulière, comme illustré à la figure 3 (a) . La méthode d'atomisation (telle que l'atomisation par gaz inerte, l'atomisation par électrode rotative à faisceau de plasma et l'atomisation par gaz de fusion par induction d'électrode) peut être effectuée dans une atmosphère complètement inerte, de manière à maintenir la haute pureté de la poudre brute. La poudre est de forme sphérique, avec une distribution granulométrique assez large et de bonnes performances d'empilement, comme le montre la figure 3 (b).

De plus, contrairement à la technologie de production de poudre d'acier, il est difficile de produire de la poudre de titane avec une granulométrie plus fine. Avec la diminution de la taille des particules, la surface spécifique augmente et la teneur en impuretés augmentera également.

Généralement, la granulométrie de la poudre de titane utilisée par MIM est inférieure à 45 µm. Lorsque les particules de poudre sont trop grosses, le processus d'injection est susceptible de produire une séparation du liant en poudre, formant des défauts, qui doivent être pleinement pris en compte dans la conception de la composition des matériaux d'injection et la conception des moules [5].

Fig. 3 Poudre de titane hydrodéshydrogénée (a) et poudre de titane en aérosol (b) pour moulage par injection

Fig.3 Poudre de titane HDH (a) et atomisée au gaz (b) utilisée dans le MIM

1.2 Classeur

Le liant est un support qui existe par étapes tout au long du processus de moulage par injection. Son rôle principal est de faire en sorte que la poudre remplisse uniformément le moule à l'état fluide, forme la forme requise et la maintienne jusqu'à l'étape de pré-frittage.

Dans le processus de moulage par injection, le liant doit avoir les caractéristiques suivantes : faible point de fusion, bonne mouillabilité aux particules de poudre et durcissement rapide, ce qui est pratique pour la préparation de matériaux d'injection ; Il présente une bonne fluidité à température d'injection ; Après la formation, il peut être facilement retiré du corps vert et il y a moins de résidus. Les produits de décomposition sont non toxiques et non corrosifs.

D'une manière générale, le composant liant comprendra au moins le composant principal et le composant secondaire :

Le composant principal est utilisé pour mouiller les particules de poudre métallique et fournir la fluidité nécessaire, tandis que le composant secondaire garantit que le corps cru d'injection a encore une résistance suffisante pendant le processus d'injection et après le retrait du composant principal du liant.

Dans la plupart des cas, le système de liant a un troisième composant, tel qu'un tensioactif, pour améliorer la compatibilité entre les poudres métalliques et les polymères.

Selon les différents composants principaux des composants de liant, les systèmes de liant couramment utilisés peuvent être divisés en systèmes à base de cire, systèmes à base de composés aromatiques, systèmes à base de paraformaldéhyde et systèmes à base d'eau.

1.2.1 Liant à base de cire

Les cires couramment utilisées des systèmes adhésifs à base de cire sont la cire de paraffine, la cire d'abeille, la cire de palme et d'autres polymères à chaîne courte. Ils ont un point de fusion bas, une bonne mouillabilité, une chaîne moléculaire courte, une faible viscosité et ont moins de changement de volume que les autres polymères lors de la décomposition, ce qui est propice à assurer la précision dimensionnelle des produits.

Les composants secondaires couramment utilisés dans les systèmes à base de cire comprennent le polypropylène, le polyéthylène, le copolymère d'éthylène-acétate de vinyle et le polyméthacrylate de méthyle de haut poids moléculaire. En plus de la cire et du liant squelette, un tensioactif, tel que l'acide stéarique, est généralement ajouté pour améliorer la compatibilité entre la poudre et le polymère.

Le système de liant à base de cire signalé pour la première fois dans la littérature est celui de Kaneko et al.

Kato et al. [7] ont étudié le procédé de décollement en deux étapes combinant un décollement sous vide et un décollement sous atmosphère d'argon, qui réduit significativement la teneur en carbone et en oxygène dans les pièces frittées.

Guo et al. [8 - 9] ont développé un système de liant paraffine - polyéthylène glycol - polyéthylène - polypropylène - acide stéarique en utilisant du polyéthylène glycol avec une meilleure mouillabilité pour remplacer une partie de la paraffine, et l'ont utilisé dans le moulage par injection de titane pur et d'alliage titane aluminium vanadium. Les pièces frittées ont une bonne rétention de forme et peu de mouvement. En raison de la réduction de la teneur en oxygène et en carbone, les performances ont également été considérablement améliorées, ce qui se traduit par de meilleures performances.

De plus, certains chercheurs ont utilisé de la cire de palme pour remplacer partiellement la cire de paraffine [10 - 13] et de l'huile de palme pour remplacer complètement la cire de paraffine [14] dans le système de liant à base de cire, avec un bon effet de formage. Cependant, comme l'élément oxygène contenu dans la cire de palme elle-même est également une source d'augmentation de l'oxygène, la teneur en carbone et en oxygène du produit final est légèrement supérieure et ses propriétés mécaniques ne sont pas aussi bonnes que celles du système de paraffine.

Le meilleur système de liant à base de cire rapporté dans la littérature a été proposé par Friederici et al. [15]. Au cours de l'expérience, quatre types de proportions de liant ont été formés en ajustant la proportion de paraffine, de polyéthylène basse densité et d'acide stéarique, puis les processus de formation, de décollement et de frittage de différents matériaux d'injection ont été effectués. Des échantillons avec une densité relative de 98,1 % et une composition chimique répondant aux exigences du titane pur secondaire ont été obtenus.

Le système de liant à base de cire joue un rôle important dans le moulage par injection. Cependant, en raison de la faible efficacité de dégraissage du solvant organique utilisé pour le déliage au solvant du système de liant à base de cire, les chercheurs continuent d'innover sur cette base et de développer un nouveau système de liant.

1.2.2 Liant à base de composés aromatiques

Les composés aromatiques (tels que le naphtalène, l'anthracène, etc.) peuvent être dissous à très basse température. Dans des conditions de basse pression, ils peuvent être directement transformés de solide en gaz par sublimation à une température inférieure à leur point de fusion. L'utilisation de composés aromatiques comme composants de liant peut grandement améliorer l'efficacité du processus de décollement.

Weil et al. [16 - 18] ont utilisé des composés aromatiques dans le moulage par injection de poudre de titane métallique. Dans la recherche, du naphtalène, 1% d'acide stéarique et 3% ~ 12% de copolymère d'acétate de vinyle ont été utilisés comme agents de liaison pour préparer des alliages de titane aluminium vanadium denses et poreux.

Au cours de l'expérience, en raison de la sublimation directe du naphtalène en gaz, il n'y avait pas de phase liquide dans le processus de décollement, le volume de l'échantillon n'a pas changé et, à la différence du dégraissage au solvant, l'énergie de surface impliquée dans la méthode de sublimation était faible, ce qui signifiait que les défauts de dégraissage courants tels que la déformation et la fissuration pourraient être évités. Les résultats ont montré que la densité relative des échantillons frittés était de 96,6 % et que la teneur en carbone n'avait pas augmenté.

Bien que le système de liant ait atteint d'excellentes performances de produit, les composés aromatiques du système auront toujours un impact sur l'environnement et la santé, et n'ont pas été étudiés par la suite ni appliqués à grande échelle.

1.2.3 Liant à base de polyformaldéhyde

Le polyformaldéhyde a été utilisé pour la première fois dans le système de liant par Celanese Corp en 1984, puis développé par BASF, ce qui a permis que les composants du liant ne contiennent pas de cire et de composants de faible poids moléculaire [19].

Le polyformaldéhyde est le composant principal du système de liant, et le polyéthylène (PE) est progressivement ajouté comme liant squelette dans le processus de développement ultérieur.

À l'heure actuelle, BASF a formé des matériaux de moulage par injection couvrant l'acier faiblement allié, l'acier inoxydable, l'acier à outils, le titane, les alliages de titane et la céramique basés sur ce système de liant.

La caractéristique remarquable du POM est qu'il est sensible aux réactifs acides et facile à la décomposition acide. Par conséquent, les billettes crues peuvent être traitées dans une atmosphère acide inférieure à leur température de ramollissement. Dans ce procédé, le polyoxyméthylène est à l'état solide, évitant les défauts tels que les fissures et la dilatation provoqués par l'ébullition des composants du liant. De plus, les billettes vertes ont une petite déformation, une bonne rétention de forme et un contrôle précis de la taille.

De plus, en raison du taux de diffusion important, par rapport aux autres méthodes de dégraissage, le taux de dégraissage est plus élevé, pouvant atteindre 10 fois le taux de décollement traditionnel au solvant, tout en permettant un décollement de taille plus épaisse [20].

Bien que le système liant à base de polyoxyméthylène présente de nombreux avantages ci-dessus, il présente également de nombreux inconvénients.

La vapeur d'acide nitrique hautement corrosive est couramment utilisée comme catalyseur dans le processus de décollement catalytique. D'une part, le polyoxyméthylène peut se décomposer lors de la préparation et du moulage par injection des matériaux d'injection à un stade précoce, produisant du formaldéhyde hautement toxique, et les produits de décomposition doivent être éliminés par une combustion en deux étapes. D'autre part, l'atmosphère acide jouant un rôle de catalyseur est très corrosive pour l'équipement, nécessitant plus d'investissement.

1.2.4 Liant à base d'eau

Les solvants déliants (tels que l'heptane et l'hexane) ou les produits de décomposition des composants du liant (composé aromatique monomère et formaldéhyde) utilisés dans les différents systèmes de liant mentionnés ci-dessus sont plus ou moins nocifs pour l'environnement et les opérateurs. Par conséquent, il est très important de développer et d'utiliser le système de liant avec des solvants respectueux de l'environnement.

Les systèmes de liants écologiques existants utilisent l'eau comme solvant déliant.

Selon les différents rôles de l'eau dans la préparation des matériaux d'injection, ce type de système de liant peut être divisé en base de gel et non à base de gel.

Le polymère couramment utilisé dans les systèmes sans gel est le polyéthylène glycol, qui a de bonnes performances et est bon marché et facile à obtenir. Le polyéthylène glycol de faible poids moléculaire peut être rapidement et complètement éliminé à 60 degrés C, et le poids moléculaire du polyéthylène glycol couramment utilisé est d'environ 500 ~ 2000. Le liant squelette couramment utilisé est le polyméthacrylate de méthyle avec un poids moléculaire de 10000.

Sidambé et al.

Dans l'expérience, le polyéthylène glycol a été complètement éliminé dans de l'eau à 55 °C après 5 heures, et le polyméthacrylate de méthyle a été complètement éliminé dans un flux d'argon à chaud à 44 0 °C. La teneur finale en oxygène (fraction massique) de l'échantillon préparé est de 0,2 %, la résistance à la traction correspondante est de 850 ~ 880 MPa et l'allongement est de 8,5 % ~ 16 %, répondant à la norme ASTM grade 5 Ti.

La plupart des liants à base de gel sont des substances naturelles, telles que la cellulose, la gélose à l'amidon, etc.

Tokura [22] et al. a utilisé de l'agar pour remplacer le liant polymère dans le moulage par injection de poudre de titane et a étudié la stabilité thermique, la solubilité et la viscosité du système de liant.

Metal Powder Report (MPR) [23] a rapporté une étude sur la production d'implants dentaires en alliage de titane à l'aide d'un liant à base d'agar, qui se compose d'agar, d'eau et de matériaux de renforcement en gel.

Suzuki [24] et al. préparé des échantillons à 97,3 % avec une densité relative à l'aide d'un liant d'agar (poids moléculaire 82 500) contenant une fraction massique de 4 %. Les fractions massiques de carbone et d'oxygène des échantillons sont respectivement de 0,33 % et 0,3 %. La limite d'élasticité est de 539 MPa et l'allongement est d'environ 10 %. Les résultats expérimentaux montrent que lors de l'utilisation d'agar de poids moléculaire élevé, la résistance du gel augmente, mais la teneur résiduelle en carbone et en oxygène est élevée, ce qui entraîne une densité de frittage, une résistance à la traction et un allongement des pièces frittées plus faibles.

Le liant à base d'eau sans gel est facile à contrôler, l'équipement de dégraissage est moins cher que les autres méthodes de dégraissage, et le liant est biodégradable et non toxique pour les micro-organismes, mais le traitement des eaux usées pour le dégraissage nécessite des coûts supplémentaires.

Il est difficile de contrôler la taille des pièces finales produites par le composé de moulage par injection du système de liant à base de gel, et la composition n'est pas assez stable, de sorte que les conditions de traitement et le contrôle de la qualité sont difficiles, et des recherches et une optimisation supplémentaires sont encore nécessaires.

1.3 Moulage par injection, décollement et frittage

Les paramètres du processus de moulage par injection sont déterminés par les propriétés du composé d'injection et la géométrie du produit cible.

Comme mentionné ci-dessus, la taille des particules de poudre de titane est généralement relativement grossière, ce qui est facile à provoquer une séparation du liant en poudre par rapport au moulage par injection de matériaux en acier inoxydable. Avant le moulage par injection, des paramètres de processus de moulage appropriés doivent être formulés en fonction des propriétés rhéologiques des matériaux d'injection pour réduire les défauts dans les corps crus moulés.

Wang et al.

Parc [26] et al. préparé les matériaux d'injection avec de la poudre de titane aérosolisée, de la poudre de titane HDH et de la poudre de titane HDH sphéroïdisée, mesuré leurs propriétés rhéologiques et leur comportement de décollement, proposé l'indice de formabilité des matériaux d'injection et évalué les propriétés des matériaux d'injection sur cette base. Les résultats d'analyse ont fourni une base théorique pour l'utilisation simultanée de poudre HDH et de poudre en aérosol dans le système de matériaux d'injection.

Barriere [27] et d'autres ont discuté des paramètres de processus optimaux pour produire des pièces métalliques moulées par injection sans défauts et avec les propriétés mécaniques requises sur la base du processus de simulation expérimentale et numérique. Sur la base de la technologie de modélisation, ils ont utilisé des équations d'écoulement à deux phases et un algorithme explicite nouvellement développé pour prédire le phénomène de séparation des matériaux dans le processus d'injection à l'aide de la simulation numérique.

Chen [28] et al. utilisé une poudre de préalliage Ti - 6Al - 4V hydrogénée déshydrogénée et un système de liant soluble dans l'eau pour préparer l'alimentation des commentaires, puis mesuré le taux d'élimination du composant liant soluble dans l'eau polyéthylène glycol dans des échantillons de différentes épaisseurs à différentes températures, établi un modèle mathématique de décollement contrôlé par diffusion , et déterminé le mécanisme de décollement du système de liant.

Sidambé [29] et al. a utilisé la méthode de Taguchi pour déterminer la meilleure combinaison de température de frittage, de temps, de vitesse de chauffage, d'atmosphère et d'autres paramètres.

Ni et al. [30] ont préparé un matériau d'injection Ti - 6Al - 4V en utilisant un système de liant d'ester de palme dur et de polyéthylène, et ont formulé le processus de production optimal en utilisant la méthode Taguchi. Enfin, un échantillon avec une limite d'élasticité de 934,4 MPa et un allongement de 10 % a été obtenu, et ses performances globales ont répondu aux exigences de l'alliage de titane médical ASTM B348-02.

Obassi et al. [31] ont préparé des échantillons de Ti – 6Al – 4V avec des propriétés répondant aux exigences de la norme ASTM B348 – 02 en alliage de titane de grade 23, et ont étudié l'influence des changements dans le système de paramètres de processus de base sur le processus de dégraissage thermique et de frittage de Ti – 6Al – 4V composants MIM en poudre.

Limberg et al. [32] préparé Ti – 45Al – 5Nb – 0.2B – 0.2C en mélangeant des poudres simples dans le processus de moulage par injection, étudié les effets du temps de frittage et de l'atmosphère de frittage sur les propriétés de traction et la microstructure, et obtenu des échantillons avec une résistance à la traction d'environ 630 MPa.

Guo et al. [8 – 9] ont préparé des matériaux en titane pur et Ti – 6Al – 4V par technologie de moulage par injection, étudié l'influence des procédés de traitement thermique tels que le pressage isostatique à chaud et le recuit sur les propriétés des matériaux d'alliage, et caractérisé qualitativement et quantitativement l'effet du traitement thermique au moyen de tests de propriétés mécaniques de la microstructure. Sa microstructure est représentée sur la figure 4.

L'alimentation de remarque est préparée en mélangeant de la poudre de titane atomisée, de la poudre de titane hydrogénée déshydrogénée et un système de liant à base de cire. Après moulage par injection, il est décollé dans le solvant dans le mélange d'heptane et d'éthanol. Après avoir chauffé jusqu'à 350, 420 et 600 degrés C à une certaine vitesse de chauffage, le liant est complètement éliminé par conservation de la chaleur. La température de frittage est de 1230 degrés C et la conservation de la chaleur est de 3 h. Enfin, les propriétés de traction des échantillons frittés sont de 389 à 419 MPa et l'allongement est de 2 à 4 %.

Les membres du groupe de recherche [33] ont préparé des échantillons de titane pur en utilisant de la poudre de titane en aérosol et un système de liant soluble dans l'eau, ont étudié les effets de la température de frittage et du temps de maintien sur les propriétés des échantillons de titane pur. Le processus de frittage a été effectué sous vide 10-4~10-3 Pa, la température de frittage était de 1350 degrés C et l'allongement était de 20,3 % après un maintien de 3 heures, ce qui est entièrement conforme à la norme ASTM F{{8 }}, l'échantillon avec les meilleures performances de métallurgie des poudres, la densité relative était de 96,9 % et la résistance à la traction était de 443 MPa, norme de titane pur de grade biomédical II.

Fig. 4 Microstructure d'échantillons de titane pur (a) et d'alliage titane aluminium vanadium (b) préparés avec injection de liant à base de cire

Fig.4 Microstructures d'échantillons de Ti (a) et Ti-6Al-4V (b) préparés par des matières premières à base de cire

2 Nouveaux matériaux de moulage par injection de titane et d'alliage de titane

À l'heure actuelle, le titane et les alliages de titane sont largement utilisés dans la chirurgie orthopédique, les instruments liés à la stomatologie et les implants médicaux. Cependant, en raison de la différence entre leurs propriétés mécaniques et les propriétés mécaniques de l'os humain (module d'élasticité d'environ 20 GPa), des effets de protection contre les contraintes se produisent sur l'interface os/implant, ce qui peut conduire à une réduction significative des effets cliniques à long terme, car illustré à la figure 5.

Par conséquent, les chercheurs ont ajusté les propriétés mécaniques des matériaux en titane en modifiant la structure et la composition de l'alliage des matériaux en titane pour les rapprocher de la structure et des performances des os naturels humains.

Fig. 5 Comparaison du module d'élasticité des alliages de titane médicaux courants

Fig.5 Comparaison du module d'élasticité des alliages de titane biomédicaux

2.1 Matériaux poreux en titane et composites titane  céramique

Les matériaux en titane poreux et les nouveaux matériaux du système d'alliage de titane ont une structure de pores et des propriétés mécaniques appropriées, et sont des matériaux d'implant orthopédiques idéaux.

D'une part, il peut réduire efficacement l'inadéquation des contraintes entre l'implant et le tissu osseux, réduisant ainsi l'effet de protection contre les contraintes et réalisant la fonction permanente et efficace de l'implant ; D'autre part, la structure poreuse est une condition nécessaire à la croissance des cellules osseuses dans le corps de l'implant. La structure poreuse interconnectée peut laisser passer une grande quantité de fluide corporel, ce qui peut favoriser davantage la croissance des cellules osseuses.

Gu [34] et al. formé un nouvel alliage TC4 avec une structure à pores ouverts en ajoutant TiH2 comme agent moussant et activateur à la poudre élémentaire de titane aluminium vanadium, avec une distribution uniforme de la taille des pores de 90 ~ 190 μ m. La porosité est d'environ 43 % ~ 59 % et le module d'élasticité est de 5,8 ~ 9,5 GPa. Moteur et al. [35] ont préparé un alliage de titane microporeux par moulage par injection de poudre (PIM) combiné à la technologie des agents porogènes, et ont étudié l'influence de la quantité d'agent porogène polyméthylméthacrylate sur la densité, la résistance à la compression et le module élastique de l'alliage.

Tuner et al

Chen [37] et al. ont utilisé du NaCl comme agent porogène et un matériau d'injection à base de cire de poudre de titane hydrogénée déshydrogénée pour préparer des échantillons moulés par injection. La porosité des échantillons obtenus était de 42,4 % ~ 71,6 % et le diamètre des pores a atteint 300 μm. Comme le montre la figure 6. En ajustant la quantité de NaCl, un trou de connexion peut être formé dans la partie d'injection et ses propriétés mécaniques sont similaires à celles de l'os spongieux.

Barbosa et al.

Fig. 6 Composant de moulage par injection poreux en titane préparé avec du NaCl comme agent porogène

Fig.6 Composant de moulage par injection en titane poreux utilisant du NaCl comme espaceur

L'hydroxyapatite (HA), avec la même composition chimique et la même structure cristalline que le tissu osseux naturel humain, présente des avantages uniques dans le remplacement osseux et la reconstruction osseuse, et a commencé à jouer un rôle de plus en plus important dans les dispositifs biomédicaux.

Cependant, HA est cassant et a de mauvaises propriétés mécaniques, il ne peut donc pas être utilisé seul comme composant porteur. Par conséquent, un nouveau matériau biomédical composé de matériaux HA et de titane a émergé.

Thian et al. [39  42] ont étudié la préparation de composites Ti6Al4V/HA par moulage par injection. Tout d'abord, la poudre composite Ti6Al4V/HA a été préparée par un procédé de suspension céramique, puis la poudre préparée a été mélangée avec un liant commercial PAN-250S pour préparer les remarques. Les propriétés rhéologiques du mélange d'injection ont été testées et les effets de la vitesse de chauffage et du débit de gaz de l'atmosphère de décollement sur les défauts de la pièce à décoller, la quantité de liant éliminé et la teneur en carbone résiduel dans le processus de décollement ont été étudiés. ; L'influence des paramètres du processus de frittage (vitesse de chauffage, température de frittage, temps de maintien, vitesse de refroidissement, etc.) sur les propriétés de l'échantillon final, la porosité de l'échantillon préparé est d'environ 50 % ; De plus, le processus de dégradation biologique du matériau Ti6Al4V/HA préparé dans l'environnement des fluides corporels a été analysé et caractérisé par les résultats des tests de propriétés mécaniques.

2.2 Nouveaux matériaux en alliage de titane

Le domaine biomédical est une branche importante de l'application des matériaux en titane, et sa direction de la demande d'application affecte directement la tendance de développement des matériaux en titane.

Les premiers matériaux en titane étaient du titane pur (phase), mais la résistance des matériaux en titane pur est faible et la résistance à l'usure est faible, développant ainsi une résistance et une ténacité élevées, représentées par l'alliage de type Ti6Al4V, Ti6Al7Nb et Ti5Al2.5Fe plus.

Aust et al. [43] ont fabriqué avec succès des matériaux de vis à os avec d'excellentes performances à l'aide d'un système de liant à base de poudre et de cire Ti6Al7Nb (paraffine plus PE plus acide stéarique), comme le montre la figure 7. Sa densité relative est de 97,6 %, sa résistance à la traction est de 815 MPa, sa limite d'élasticité est de 714 MPa et l'allongement est de 8,7 %.

Les résultats de la recherche montrent que l'Al, le V et d'autres éléments d'alliage dans l'alliage de titane aluminium vanadium et l'alliage de titane aluminium niobium, qui sont largement utilisés à l'heure actuelle, libèrent des ions cytotoxiques Al, V après l'entrée de l'implant dans le corps humain, causant des dommages au corps humain .

En conséquence, les chercheurs ont mené une série de tests de biosécurité de nouvelle génération qui contiennent Nb, Ta, Zr, Mo, Sn et d'autres éléments de biosécurité mais pas les éléments Al, V Développement d'un système d'alliage de titane.

Les alliages de titane biologiques actuellement développés et étudiés comprennent principalement Ti-15Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-35Nb-7Zr-5Ta , Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr et Ti-29 Nb-13Ta-4.6Zr [44]. En raison des limites de la technologie de fabrication des poudres et d'autres aspects, ces systèmes d'alliage sont rarement utilisés dans le moulage par injection de poudre.

Zhao et al.

Arokiasamy et al. [46] ont préparé un alliage Ti  5Fe  5Zr en ajoutant des éléments Fe et Zr à de la poudre de titane pur HDH et ont mesuré les propriétés mécaniques de l'alliage. Sur la base des résultats des tests, le mécanisme de l'influence de la porosité résiduelle et du TiC sur les propriétés des matériaux d'alliage a été obtenu.

Fig. 7 Moulage par injection de poudre métallique

Fig. 7 Vis à os Ti6Al7Nb préparée par un procédé de moulage par injection de métal Vis à os Ti6Al7Nb MIM produite par Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

3 Perspectives

Le titane et les alliages de titane ont un grand potentiel de développement dans les applications aérospatiales, médicales, chimiques, automobiles et de biens de consommation en raison de leur faible densité, de leur résistance spécifique élevée, de leur excellente biocompatibilité et résistance à l'oxydation et de leur bonne résistance à la corrosion.

Par rapport aux technologies de traitement traditionnelles, telles que le forgeage, le moulage et l'usinage, la technologie de moulage par injection de poudre présente des avantages évidents, une composition d'alliage uniforme, un taux d'utilisation élevé des matières premières et une forte capacité de production pour de grandes quantités de pièces de forme complexe, ce qui peut grandement favoriser le production et application de produits en titane et alliages de titane.

Bien que certains progrès aient été réalisés dans la recherche sur le moulage par injection de titane et d'alliages de titane, une série de problèmes restent à résoudre dans le processus de production industrielle actuel, tels que le prix élevé des matières premières en poudre de haute qualité, l'application insuffisante de nouvelles système d'alliage de titane de haute qualité au moulage par injection, et la difficulté à contrôler la composition chimique des produits.

De plus, avec le développement rapide de la technologie des micro-systèmes ces dernières années, la demande de composants micro-complexes utilisés dans les micro-systèmes augmente, et le moulage par injection de poudre doit être transféré des types de produits traditionnels aux micro-produits et développé en micro-injection de poudre. La technologie.

À l'heure actuelle, la technologie de moulage par micro-injection se concentre principalement sur les polymères, l'acier inoxydable et d'autres systèmes de matériaux. Il reste encore de nombreux problèmes à étudier dans le moulage par micro-injection du titane et des alliages de titane.

Par conséquent, le développement de la recherche sur le moulage par injection de titane et d'alliages de titane devrait se concentrer sur la recherche et le développement de nouveaux systèmes d'alliage de titane, le développement d'une technologie de préparation de poudre d'alliage de titane de haute qualité à faible coût et la recherche de matériaux de titane micro moulage par injection pour dispositifs micro-complexes.

Grâce à la recherche approfondie sur la technologie de moulage par injection du titane et des alliages de titane, on pense que la technologie de moulage par injection du titane et des alliages de titane fera de grands progrès, puis favorisera le développement rapide de l'industrie du titane.