Technologie de moulage par injection de poudre métallique de titane et d'alliage de titane

Technologie de moulage par injection de poudre métallique de titane et d'alliage de titane

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. a réalisé une production de masse grâce à la recherche et au développement continus, à l'innovation, aux tests, aux processus de moulage par injection de métal de titane et d'alliage de titane en 2008. S'il y a des clients dans le besoin, veuillez envoyer un e-mail : business- mall@zw-jm.com Donnez-le à notre société, et les ingénieurs professionnels vous répondront en temps opportun dans le jour ouvrable le plus court,

Résumé

Le titane et les alliages de titane ont à la fois 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 des domaines tels que l'aérospatiale, le biomédical, la chimie et l'automobile.

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

Cet article présente les caractéristiques et les avantages du moulage par injection de poudres métalliques de titane et d'alliages de titane. Il résume les progrès de la recherche sur la technologie de moulage par injection de poudres métalliques de titane et d'alliages de titane sous les aspects des matières premières en poudre, des systèmes de liants, du moulage par injection de poudre, du décollement et du frittage. En réponse aux principales problématiques existantes, il analyse les orientations de recherche et les perspectives de développement du moulage par injection de poudres métalliques de titane et d'alliages de titane.

Mots clés titane; Alliage de titane; Moulage par injection; Numéro de classification des progrès de la recherche TF125.2 ; TF125.2 plus 2

(NDLR : introduction en anglais omise...)

Depuis que la méthode de production industrielle d'obtention de titane métallique à partir de minerai a été maîtrisée dans les années 1840, 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, aux produits de luxe et à d'autres industries. avec des exigences élevées en matière de performances des matériaux.

A l'heure actuelle, outre les prix élevés des matières premières, la difficulté de transformation et de mise en forme du titane et des alliages de titane limite fortement leur champ d'application.

L'usinabilité du titane et des alliages de titane est médiocre et les méthodes d'usinage traditionnelles ont un équipement coûteux et une faible efficacité de traitement, ce qui augmente considérablement leurs coûts de traitement. La structure des pièces en titane pouvant être usinées est très simple et, en raison des limites des méthodes de traitement, la plupart d'entre elles ne peuvent pas obtenir de solutions de conception susceptibles de maximiser les performances des matériaux.

Dans ce contexte, le moulage par injection de métal (MIM), qui présente les avantages d'une utilisation élevée 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 d'abord mélangés, mélangés et granulés pour préparer un matériau d'injection. Ensuite, le matériau d'injection est injecté dans le moule à une certaine température et pression, refroidi et démoulé pour obtenir un produit cru avec une forme spécifique. Ensuite, à travers le processus de décollement, tous les composants organiques à l'exception de la poudre métallique sont retirés du produit vert, formant un produit vert déliant. Enfin, un frittage est effectué pour obtenir les performances souhaitées du produit.

La technologie de moulage par injection de poudre métallique a obtenu une combinaison organique de moulage par injection et de technologie traditionnelle de métallurgie des poudres, surmontant les inconvénients du coût d'usinage élevé, de la forme simple du processus de moulage traditionnel, de la faible efficacité de production du processus de pressage isostatique et de moulage par injection, de nombreux défauts dans le traditionnel processus de coulée et faible précision de tolérance. Il a grandement favorisé la production et l'application de produits en titane et alliages de titane (comme le montre la figure 2).

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

 

2 Applications du titane et des alliages de titane fabriqués par MIM

 

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

La recherche a montré 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 influencées par quatre aspects : la densité relative, la teneur en impuretés, les éléments d'alliage et la microstructure.

Une fois le produit de moulage par injection fritté, sa densité relative 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 plus 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 éléments d'impureté tels que l'oxygène, le carbone, l'azote, l'hydrogène, etc., en particulier l'oxygène, peuvent augmenter la limite d'élasticité, la résistance à la traction et la dureté des matériaux, réduisant ainsi la ductilité. A la température de frittage, les éléments d'impuretés se dissolvent dans la matrice titane. En raison du manque d'agents réducteurs efficaces, il est difficile de contrôler les éléments d'impuretés dans le titane et les alliages de titane pendant le processus de frittage. Cela nécessite de minimiser la quantité d'oxygène ajoutée aux matières premières et à chaque étape ultérieure du processus.

La microstructure du titane et des alliages de titane, y compris la taille des grains et la composition des phases après frittage, peut affecter les propriétés mécaniques du matériau. Dans l'ensemble, 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, une granulométrie fine lors de la densification et moins de défauts [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 composé de moulage par injection, la conservation de la forme du corps vert pendant le processus de décollement et le taux de retrait pendant le processus de frittage.

Les méthodes couramment utilisées pour préparer les poudres de titane et d'alliage de titane comprennent la méthode mécanique et la méthode d'atomisation.

La forme de la poudre obtenue par des procédés mécaniques tels que le broyage à billes, le broyage à billes sous agitation, le broyage à billes à vibration à haute énergie et la pulvérisation par flux d'air est généralement irrégulière ou angulaire.

Le procédé d'hydrogénation déshydrogénation (HDH) utilise les caractéristiques évidentes de fragilisation du titane après absorption d'hydrogène. Il est broyé par broyage mécanique ou broyage par flux d'air, puis soumis à une déshydrogénation 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 préparée est de forme sphérique et présente une distribution granulométrique assez large, avec de bonnes performances d'empilement, comme le montre la figure 3 (b).

De plus, contrairement à la technologie de production de poudre d'acier, la production de poudre de titane plus fine est plus difficile. Lorsque la taille des particules diminue, la surface spécifique augmente et la teneur en éléments d'impureté augmente également.

Typiquement, le MIM utilise de la poudre de titane avec une granulométrie inférieure à 45 μm. Lorsque les particules de poudre sont trop grosses, le processus d'injection est sujet à la séparation du liant en poudre et à la formation de défauts. Il est nécessaire de considérer pleinement la conception de la composition du matériau d'injection et la conception du moule [5].

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

1.2 Adhésif

Le liant est un support qui existe par étapes tout au long du processus de moulage par injection, et sa fonction principale est de remplir uniformément le moule de poudre à l'état fluide, en formant la forme souhaitée et en la maintenant jusqu'à l'étape de pré-frittage.

Dans le processus de moulage par injection, le liant doit avoir les caractéristiques suivantes : point de fusion bas, bonne mouillabilité aux particules de poudre et solidification rapide, ce qui est pratique pour la préparation de matériaux d'injection ; A une bonne fluidité à la température d'injection; Après le formage, il peut être facilement retiré de la billette, avec moins de matière résiduelle et de produits de décomposition non toxiques et non corrosifs.

D'une manière générale, les composants liants comprennent au moins le composant principal et les composants secondaires :

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 que des tensioactifs, 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 polyoxyméthylène et systèmes à base d'eau.

1.2.1 Liant à base de cire

Les cires couramment utilisées pour les liants de système à base de cire comprennent plusieurs polymères à chaîne courte tels que la paraffine, la cire d'abeille, la cire de palme, etc. polymères, ce qui est propice à assurer la précision dimensionnelle du produit.

Les composants secondaires couramment utilisés des 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 des liants de cire et de squelette, un tensioactif tel que l'acide stéarique est généralement ajouté pour améliorer la compatibilité entre la poudre et le polymère.

Le premier système de liant à base de cire rapporté dans la littérature était Kaneko et al. [6], qui utilisait de la paraffine polybutyl méthacrylate éthylène acétate de vinyle copolymère phtalate de dibutyle comme liant et de la poudre de titane pour préparer un matériau d'injection de remarque. La charge de poudre était de 56 % et après le décollement, elle a été frittée à 1300 degrés C et 1,3 Pa. L'échantillon fritté obtenu avait une densité relative de 94 % et une résistance à la compression de 1000 MPa, mais en raison de la teneur élevée en impuretés, il n'avait presque aucune ductilité.

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

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

De plus, les chercheurs ont utilisé la cire de palme comme substitut partiel de la cire de paraffine [10-13] et l'huile de palme comme substitut complet de la cire de paraffine [14] pour un système de liant à base de cire, qui a de bons effets de formage. Cependant, en raison de l'élément oxygène contenu dans la cire de palme elle-même, c'est aussi une source d'amélioration de l'oxygène,

À l'heure actuelle, le système de liant optimal à base de cire rapporté dans la littérature a été proposé par Friederici et al. [15]. Au cours du processus expérimental, quatre rapports de liant ont été formés en ajustant les proportions de paraffine, de polyéthylène basse densité et d'acide stéarique, et différents matériaux d'injection ont été formés, décollés et frittés en fonction de ces rapports. Un échantillon avec une densité relative de 98,1 % et une composition chimique qui répond aux exigences du titane pur secondaire a été obtenu.

Les systèmes de liants à base de cire jouent un rôle important dans le moulage par injection, mais en raison de la faible efficacité du décollement des solvants à l'aide de solvants organiques, les chercheurs ont continuellement innové et développé de nouveaux systèmes de liants.

1.2.2 Liants à base de composés aromatiques

Les composés aromatiques (tels que le naphtalène, l'anthracène, etc.) peuvent se dissoudre à très basse température et, dans des conditions de basse pression, ils peuvent être directement transformés de solide en gaz par sublimation à des températures inférieures 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] a utilisé des composés aromatiques dans le moulage par injection de poudre de titane métallique. Dans ses recherches, des alliages denses de titane aluminium vanadium et des alliages poreux de titane aluminium vanadium ont été préparés en utilisant du naphtalène, une fraction massique de 1% d'acide stéarique et une fraction massique de 3% à 12% de copolymère d'éthylène acétate d'éthylène comme liants.

Au cours de l'expérience, en raison de la sublimation directe du naphtalène en gaz, aucune phase liquide n'est apparue pendant le processus de décollement et le volume de l'échantillon n'a pas changé. Contrairement au dégraissage au solvant, l'énergie de surface impliquée dans la méthode de sublimation est relativement faible, ce qui signifie que les défauts de dégraissage courants tels que la déformation et la fissuration peuvent être évités. Au final, la densité relative de l'échantillon fritté était de 96,6 % et la teneur en carbone n'a pas augmenté.

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

1.2.3 Liant à base de polyoxyméthylène

Le polyformaldéhyde a été utilisé pour la première fois dans le système de liant par Celanese Corp en 1984, puis développé par BASF, permettant aux composants du liant de ne contenir ni cire ni composants de faible poids moléculaire [19].

Le polyformaldéhyde est le composant principal de ce système de liant, et le polyéthylène (PE) est progressivement ajouté en tant que liant squelette au cours du processus de développement ultérieur.

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

La caractéristique importante du polyformaldéhyde est sa sensibilité aux réactifs acides et sa susceptibilité à la décomposition acide. Par conséquent, le corps vert peut être traité dans une atmosphère acide en dessous de sa température de ramollissement. Le processus du polyoxyméthylène est à l'état solide, évitant les défauts tels que les fissures et l'expansion causées par l'ébullition des composants du liant. De plus, la déformation est faible, la rétention de forme est bonne et le contrôle de la taille est précis.

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

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

Le processus de décollement catalytique utilise souvent de la vapeur d'acide nitrique hautement corrosive comme catalyseur. D'une part, le polyformaldéhyde peut se décomposer lors de la préparation des matériaux d'injection et des étapes de moulage par injection, produisant du formaldéhyde hautement toxique. De plus, les produits de décomposition doivent être éliminés par une combustion en deux étapes. D'autre part, l'atmosphère acide qui joue un rôle de catalyseur a une plus grande corrosivité 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 de l'agent de liaison (composés aromatiques monomères et formaldéhyde) utilisés dans les différents systèmes d'agents de liaison susmentionnés sont plus ou moins nocifs pour l'environnement et les opérateurs. Par conséquent, le développement et l'utilisation de systèmes d'agents de liaison au solvant respectueux de l'environnement revêtent une grande importance.

Le système de liant écologique existant utilise 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 présente de bonnes performances, est bon marché et facile à obtenir. Le polyéthylène glycol de faible poids moléculaire peut être rapidement et presque complètement éliminé à 60 °C, avec une plage de poids moléculaire couramment utilisée d'environ 500-2000. Le liant squelette couramment utilisé est le polyméthacrylate de méthyle avec un poids moléculaire de 10000.

Sidambe et al. [21] ont utilisé un composant liant soluble dans l'eau de l'acide stéarique polyéthylène glycol polyméthacrylate de méthyle pour étudier à un taux de chargement de poudre de 69 %.

Dans l'expérience, le polyéthylène glycol a été complètement éliminé dans l'eau à 55 °C après 5 heures, et le polyméthacrylate de méthyle a été complètement éliminé dans un flux de gaz d'argon déliant chaud à 44 0 °C. La teneur finale en oxygène (fraction massique) de l'échantillon préparé est de 0,2 % , avec une résistance à la traction correspondante de 850-880 MPa et un allongement 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 et al. [22] ont utilisé l'agar pour remplacer les liants polymères dans le moulage par injection de poudre de titane et ont étudié la stabilité thermique, la solubilité et la viscosité du matériau d'injection de ce système de liant.

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 performances du matériau d'injection et la forme géométrique du produit cible.

Comme mentionné précédemment, la taille des particules de poudre de titane est généralement grossière, ce qui est sujet à la séparation du liant en poudre par rapport au moulage par injection de matériau en acier inoxydable. Avant le moulage par injection, des paramètres de processus de formage appropriés doivent être développés en fonction des propriétés rhéologiques du matériau d'injection pour réduire les défauts dans la billette formée.

Wang et al. [25] ont préparé des matériaux de moulage par injection en utilisant un alliage Ti-6Al-4V combiné à un système de liant à base de cire en poudre, et ont testé et analysé les propriétés rhéologiques des matériaux d'injection sous différentes quantités et températures de chargement de poudre, fournir une base pour développer des paramètres de formage appropriés pour le processus de moulage par injection.

Parc et al. ont préparé des matériaux d'injection à l'aide de poudre de titane aérosolisée, de poudre de titane HDH et de poudre de titane HDH sphéroïdisée, et ont mesuré leurs propriétés rhéologiques et leur comportement de décollement. Ils ont proposé un indice de formabilité pour le matériau d'injection et évalué ses performances 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 matériel d'injection.

Barrière et al. [27] ont exploré les paramètres de processus optimaux pour produire des pièces métalliques moulées par injection sans défauts et avec les propriétés mécaniques requises sur la base de processus de simulation expérimentaux et numériques. Sur la base de techniques de modélisation, une équation d'écoulement à deux phases et un algorithme explicite nouvellement développé ont été utilisés pour prédire les phénomènes de séparation des matériaux pendant le processus d'injection à l'aide de la simulation numérique.

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

Sidambe [29] et d'autres ont utilisé les méthodes de Taguchi pour déterminer la combinaison optimale de la température de frittage, du temps, de la vitesse de chauffage, de l'atmosphère et d'autres paramètres.

Ni et al. [30] ont préparé un matériau d'injection Ti - 6Al - 4V en utilisant un système de liant de stéarate de palme et de polyéthylène, et ont formulé le processus de production optimal en utilisant les méthodes de 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 l'ASTM B348-02 alliage de titane de grade 23, et ont étudié les effets des changements dans les systèmes de paramètres de processus de base sur la température processus de dégraissage et de frittage des composants MIM en poudre Ti-6Al-4V.

Limberg et al. [32] a préparé Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C en utilisant un mélange de poudres élémentaires pendant le processus de moulage par injection et a étudié les effets du temps de frittage et l'atmosphère sur les propriétés de traction et la microstructure. Un échantillon avec une résistance à la traction d'environ 630 MPa a été obtenu.

Guo et al. [8-9] a préparé des matériaux de titane pur et de Ti-6Al-4V à l'aide de la technologie de moulage par injection, et a étudié les effets des processus de traitement thermique tels que le pressage isostatique à chaud et le recuit sur les propriétés du matériau en alliage. L'effet du traitement thermique a été caractérisé qualitativement et quantitativement par des tests de microstructure et de propriétés mécaniques, et sa microstructure est illustrée à la figure 4.

Un matériau d'injection de remarque est préparé en mélangeant de la poudre de titane atomisée, de la poudre de titane déshydrogénée hydrogénée et un système de liant à base de cire. Après moulage par injection, le décollement au solvant est effectué dans un mélange d'heptane et d'éthanol. Le liant est complètement éliminé après chauffage à 350, 420 et 600 degrés C à une certaine vitesse de chauffage, et la température de frittage est de 1230 degrés C pendant 3 heures. Enfin, les propriétés de traction de l'échantillon fritté étaient de 389-419 MPa et l'allongement était de 2-4 % .

Les membres de notre groupe de recherche [33] ont préparé des échantillons de titane pur en utilisant un système de poudre de titane en aérosol et de liant soluble dans l'eau, et 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 réalisé sous un degré de vide de 10-4-10-3 Pa, avec une température de frittage de 1350 degrés C et un allongement de 20,3 % obtenu après maintien pendant 3 heures. Les échantillons sont entièrement conformes aux meilleures performances de métallurgie des poudres de la norme ASTM F2989-13, avec une densité relative de 96,9 % et une résistance à la traction de 443 MPa, norme biomédicale de titane pur de grade II.

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

Le titane et les alliages de titane sont actuellement largement utilisés dans l'orthopédie, les équipements dentaires et les implants médicaux. Cependant, en raison de la différence de propriétés mécaniques entre le titane et l'os humain (avec un module d'élasticité d'environ 20 GPa), des effets de protection contre les contraintes sont générés à l'interface os/implant, ce qui peut grandement compromettre les résultats cliniques à long terme, comme le montre Figure 5.

Par conséquent, les chercheurs ont ajusté les propriétés mécaniques des matériaux en titane en modifiant leur structure et leur composition en alliage, les rapprochant ainsi de la structure et des performances des os naturels du corps humain.

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

2.1 Matériaux en titane poreux et composites en céramique de titane

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, ce qui en fait des matériaux idéaux pour les implants de remplacement orthopédiques.

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 assurant la fonction durable et efficace de l'implant ; D'autre part, la structure poreuse est une condition nécessaire pour que les cellules osseuses se développent dans le corps de l'implant, et la structure poreuse interconnectée peut laisser passer une grande quantité de fluide corporel, favorisant davantage la croissance des cellules osseuses.

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

Tuner et al. [36] ont utilisé un système de poudre sphérique atomisée, de poudre de titane HDH et de liant à base de cire pour étudier l'effet de la poudre initiale sur les performances du produit de titane poreux final en ajoutant une certaine quantité de NaCl et de KCl comme agents porogènes. De plus, en ajustant la quantité d'agents porogènes, un matériau en titane poreux avec la porosité et la taille de pore requises pour les implants médicaux a été obtenu, et la composition chimique du matériau pourrait répondre à la norme de titane pur de troisième qualité.

Chen et al. [37] 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. Les échantillons obtenus avaient une porosité de 42,4 % ~ 71,6 % et une taille de pores de 300 μm. Comme le montre la figure 6. En ajustant la quantité de NaCl utilisée, des pores interconnectés peuvent se former à l'intérieur de la partie d'injection et leurs propriétés mécaniques sont similaires à celles de l'os spongieux.

Barbosa et al. [38] ont d'abord utilisé la poudre de Fe22Cr pour tester les propriétés rhéologiques des matériaux d'injection avec différents systèmes de liants. Sur la base des résultats des tests de performance, un système de liant à base de cire approprié a été sélectionné. Ensuite, la poudre de Ti et l'agent porogène NaCl ont été combinés pour le pressage à chaud et le moulage par injection multi-composants. Après dégraissage et frittage, un composant d'implant rachidien avec un noyau dense et un gradient de porosité externe a été préparé.

6 Composant de moulage par injection poreux en titane 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, en raison de sa fragilité élevée et de ses propriétés mécaniques médiocres, l'HA ne peut pas être utilisé seul comme composant porteur, ce qui a entraîné l'émergence d'un nouveau type de matériau biomédical composé de matériaux HA et de titane.

Thian et al. [39-42] a étudié la préparation de matériaux composites Ti6Al4V/HA en utilisant la méthode de moulage par injection. Tout d'abord, la poudre composite Ti6Al4V/HA a été préparée en utilisant la méthode de suspension céramique. Ensuite, la poudre préparée a été mélangée avec du liant commercial PAN-250S pour préparer un matériau d'injection de remarque. Les propriétés rhéologiques du matériau 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 décollement, la quantité d'enlèvement de liant et la teneur en carbone résiduel pendant le processus de décollement ont été étudiés ; L'effet des paramètres du processus de frittage (vitesse de chauffage, température de frittage, temps de maintien, vitesse de refroidissement, etc.) sur les performances de l'échantillon final, entraînant une porosité d'environ 50 % de l'échantillon ; 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, en tant que branche importante de l'application des matériaux en titane, sa direction de demande d'application affecte directement la tendance de développement des matériaux en titane.

Les premiers matériaux en titane utilisaient du titane pur (principalement composé de phases, mais les matériaux en titane pur ont une résistance inférieure et une faible résistance à l'usure, ce qui a conduit au développement de matériaux à haute résistance et haute ténacité représentés par Ti6Al4V, Ti6Al7Nb et Ti5Al2.5Fe plus alliage de type A .

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

Les résultats de la recherche ont montré que les éléments d'alliage tels que Al et V dans les alliages de titane aluminium vanadium et les alliages de titane aluminium niobium largement utilisés libèrent des ions cytotoxiques Al et V après que les implants pénètrent dans le corps humain, causant des dommages au corps humain.

En conséquence, les chercheurs ont mené une série d'expériences de nouvelle génération contenant des éléments de biosécurité tels que Nb, Ta, Zr, Mo, Sn, mais pas les éléments Al et V Développement de systèmes 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{{15} }Nb-13Ta-4.6Zr [44]. En raison de diverses limitations telles que la technologie de fabrication des poudres, ces systèmes d'alliage ne sont pas largement utilisés dans les procédés de moulage par injection de poudre.

Zhao et al. [45] ont utilisé de la poudre de titane et de la poudre de niobium pour des expériences de moulage par injection pour préparer avec succès des alliages biphasés TiNb avec une densité relative d'environ 95 %. En testant les propriétés mécaniques des billettes vertes, des pièces de décollement et des pièces frittées, ainsi qu'en observant et en comparant la microstructure des pièces frittées avec différentes teneurs en composition d'alliage, l'effet de la teneur en Nb sur la microstructure et les propriétés mécaniques de l'alliage a été étudié.

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 des pores résiduels et l'effet du TiC sur les propriétés du matériau d'alliage ont été obtenus.

 

Fig.7 Vis à os Ti6Al7Nb 骨钉Ti6Al7Nb préparée par MIM

3 Perspectives

La faible densité, la résistance spécifique élevée, l'excellente biocompatibilité, la résistance à l'oxydation et la bonne résistance à la corrosion du titane et des alliages de titane ont un grand potentiel de développement dans des applications telles que l'aérospatiale, la médecine, la chimie, l'automobile et les biens de consommation courante.

Par rapport aux techniques de traitement traditionnelles telles que le forgeage, le moulage et l'usinage, la technologie de moulage par injection de poudre présente des avantages évidents, tels qu'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 la production et l'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 doivent encore être résolus dans le processus de production industrielle actuel, tels que le prix élevé des matières premières en poudre de haute qualité, une conversion et une application insuffisantes. de nouveaux systèmes d'alliage de titane de haute qualité au moulage par injection, et la difficulté à contrôler la composition chimique du produit.

De plus, avec le développement rapide de la technologie des microsystèmes ces dernières années, la demande de composants micro complexes appliqués dans les microsystèmes ne cesse d'augmenter. Le moulage par injection de poudre doit passer des types de produits traditionnels aux micro-produits et évoluer vers la technologie de moulage par micro-injection de poudre.

À l'heure actuelle, la technologie de moulage par micro-injection est principalement axée sur des systèmes de matériaux tels que les polymères et l'acier inoxydable, et de nombreux problèmes doivent encore être étudiés dans le moulage par micro-injection de titane et d'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 à faible coût et de haute qualité et l'étude du moulage par micro-injection de matériaux en titane. adapté aux appareils micro-complexes.

Avec l'approfondissement de la recherche sur la technologie de moulage par injection de titane et d'alliages de titane, on pense que la technologie de moulage par injection de titane et d'alliages de titane fera des progrès significatifs, favorisant ainsi le développement rapide de l'industrie du titane.