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注射成型钛合金粘结剂的研究

发布日期:2022-05-24 编辑:注成科技 KING 点击:

    钛合金;www.56net;粉末注射成形;钛合金注射成型;粘结剂;脱脂;烧结;MIM钛合金

    钛及钛合金具有低比重、高比强度、优异的生物相容性以及良好的耐腐蚀性等特点,在航空航天、生物医疗、化工、船舶、汽车等领域极具应用潜力。钛合金粉末注射成形技术(powder injection molding,PIM)提高了材料的利用率,实现了中小型复杂形状钛产品的大批量、低成本制备,显著地推动了钛及钛合金产品的生产及应用。目前关于粉末注射成形钛合金粘结剂体系的相关文献报道十分有限,新型粉末注射成形钛合金粘结剂体系的开发处于停滞不前的状态。本文分析总结了不同粉末注射成形钛合金粘结剂体系的研究现状,并针对目前存在的问题提出改进措施。

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    一、粉末注射成型技术概况

    粉末注射成形技术是在粉末冶金技术的基础上发展起来的,与塑料注射技术相结合,实现了原料近100% 的利用率,是一种近终成形技术。一般操作流程为:先将制备好的粉末与粘结剂经过混炼和造粒制备成粒状喂料,然后将喂料在注塑机上成形出特定形状的产品生坯,再经脱脂和烧结得到所需性能的产品。钛合金粉末注射成形的优点在于:

    ①可实现小型三维复杂形状零件的批量化制备;

    ②成分均匀,组织细小,力学性能优异;

    ③易于添加合金化元素以制备所需材料;

    ④易于控制材料微观结构。

    在粉末钛合金的注射成形工艺中,粘结剂的设计是一个核心环节,肩负着在整个注射成形过程中使钛合金粉末以流体状态顺利完成注射,生坯成形后可以维持形状至预烧结阶段的重要作用,但外加的粘结剂也成为了整个注射成形工艺中Z可能的污染物来源之一。除此之外,较高含量的粘结剂会降低粉末装载量,不仅导致脱脂后坯体形状塌陷,产生变形、开裂等缺陷,还会使烧结收缩增大,严重降低产品尺寸精度;较低含量的粘结剂虽然能保证较高的粉末装载量,但是难以制得流动性良好的喂料,无法顺利完成注射,保证粘结剂含量与粉末装载量之间的平衡性大大增加了粘结剂研究过程的困难。由此可见,粘结剂虽然不决定烧结制品的Z终成分,但是其选取和使用会直接影响到后续的脱脂、烧结等工序,从而影响产品质量。因此,在粉末注射成形钛合金技术的研究工作中,将重心放在粘结剂技术上,也就抓住了问题的关键。为此本文先容了不同粉末注射成形钛合金粘结剂体系的研究现状,针对目前存在的问题提出改进措施,并对今后的研究方向提出了展望。

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部分粉末注射成形钛合金产品

(a)德国TiJet 企业制备的工程应用零部件;(b)德国TiJet 企业制备生物医用零部件;(c)Ti?6Al?7Nb 合金骨螺钉;(d)CP-Ti 人工镫骨;(e)钛合金眼镜架;(f)Ti?6Al?4V 表壳实物


    二、部分研究进展

    钛金属活性较高,温度接近400 ℃ 时容易发生碳化、氮化、氧化,生成碳化钛、氮化钛以及氧化钛等杂质相,降低了烧结相对密度,恶化了材料的力学性能。在碳、氢、氧、氮等杂质中,控制氧含量通常比控制其他杂质更困难,氧含量(质量分数)对钛合金力学性能的影响如图所示,随着氧含量的增加,钛合金的强度提高,但塑性显著恶化。因此,粉末注射成形钛合金在选用粘结剂时应做到以下三点:

    ①要尽量保证高的粉末装载量以提高制品尺寸精度;

    ②喂料要有充足的流动性以保证注射时可以顺利充满整个型腔;

    ③所用粘结剂组元不与高活性的钛材料发生反应并无残余分摆脱除。

    在研究初期,粉末钛合金注射成形所用的粘结剂大多沿用其他金属的粘结剂体系,而随着科研工作的深化,出现了水溶性、聚缩醛基等新型粘结剂。当前,粉末注射成形钛合金广泛应用的粘结剂体系为热塑性的蜡基粘结剂和塑基粘结剂,以及环境友好型的水基粘结剂。

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氧质量分数对钛合金力学性能的影响



   三、结语与展望

    金属注射成形钛合金应用市场的进一步拓展面临两大挑战,一是粉末注射成形技术相对成熟的球形钛粉成本高,其制品难以在3C 以及汽车等领域大规模使用;二是缺乏适用于钛合金粉末注射成形的粘结剂体系。氢化脱氢钛粉的出现迎来了降成本的曙光,其与球形钛粉相比,成本可降至20% 左右。但是,粉末注射成形钛合金使用的粘结剂体系大多仍沿用自其它金属,未能全面考虑钛合金材料本身特性,研发过程一度陷入瓶颈。虽然国内自主研发的钛合金粘结剂体系打破了如BASF 等企业的技术封锁,但由于缺乏系统的理论引导,其研发处于大规模试错阶段,实用性进程仍较缓慢。笔者以粘结剂体系的研究现状出发,针对现阶段粉末注射成形钛合金存在的问题提出几点建议以供同行研究者参考,共同推动粉末注射成形钛合金的产业化进程。

    (1)针对蜡基粘结剂粉末注射成形钛合金制品尺寸精度低、塑性差的问题,可继续深化PEG部分替换PW 组元的相关研究。相比于PW,PEG具有更好的润湿性和更低的分解温度,有助于提高喂料的装载量、降低脱脂坯中杂质元素的含量,从而提高钛合金制品的尺寸精度及力学性能。

    (2)针对塑基粘结剂主组分POM 易与低成本高活性氢化脱氢钛粉发生反应的问题,一是可使用钛合金专用气氛密炼机制备喂料,隔绝氧气,提高POM 热氧稳定性;二是在新型塑基粘结剂体系的研究开发中,继续优化抗氧化剂的配比,提高喂料的稳定性。

    (3)针对水基粘结剂注射生坯易软化的问题,一是可通过添加低氧甚至无氧的骨架剂组元,提高注射生坯强度;二是可继续深化PEG 分子量对水基喂料成形性和保形性方面的研究,根据注射零件的形状复杂程度选择PEG 分子量。


本文网址:/news/462.html

关键词:注射成型,钛合金注射成型,粘结剂

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