¿Cómo funciona el moldeo por inyección de polvo de titanio (MIM)?

El moldeo por inyección de polvo de titanio (MIM) comienza mezclando polvo fino con un aglutinante para preparar la materia prima de inyección. Esta se moldea para obtener una pieza en verde; después se elimina el aglutinante y se sinteriza la pieza para alcanzar su densidad y propiedades finales. El tipo de polvo, el sistema de aglutinantes y las condiciones de eliminación del aglutinante y sinterización varían para el titanio comercialmente puro, el hidruro de titanio, Ti-6Al-4V y TiAl. El proceso se estudia para válvulas de motor, álabes de turbina, cajas de reloj, cabezas de palos de golf, componentes de electrónica de consumo e implantes médicos.

Titanio comercialmente puro e hidruro de titanio

El moldeo por inyección de titanio (Ti-MIM) ha sido objeto de numerosos estudios en el ámbito de los productos biomédicos y los componentes de titanio de precisión. Las investigaciones suelen centrarse en el tipo de polvo y el tamaño de las partículas, los sistemas aglutinantes, la eliminación del aglutinante, los programas de sinterización, los poros y el control de impurezas.

Los polvos utilizados como materia prima incluyen titanio atomizado por plasma, titanio esférico atomizado por gas, hidruro de titanio y titanio hidruro-deshidruro (HDH). Algunos estudios utilizan polvo atomizado de tamaño inferior a 45 μm, mientras que otros emplean partículas finas de hidruro de titanio con un tamaño medio de tan solo unos pocos micrómetros. Estas elecciones ayudan a revelar cómo el tamaño y la morfología del polvo influyen en el comportamiento de la materia prima, la calidad del moldeado y la densificación por sinterización.

Los sistemas aglutinantes pueden ser solubles en agua, a base de parafina, a base de naftaleno o mezclas multicomponentes de cera de parafina (PW), polietilenglicol (PEG), polietileno de baja densidad (LDPE) y polipropileno (PP). El polvo de titanio y el aglutinante se mezclan para formar una materia prima homogénea y se moldean por inyección para obtener una pieza en bruto.

La eliminación del aglutinante puede realizarse mediante extracción con disolvente, tratamiento térmico o ambos. En el caso de los componentes del aglutinante solubles en agua o de otro tipo, primero se puede eliminar la fracción soluble principal, para a continuación proceder a la eliminación térmica del aglutinante al vacío o en atmósfera protectora, con el fin de eliminar los compuestos orgánicos residuales y limitar la contaminación por carbono y oxígeno durante la sinterización.

La sinterización al vacío es una técnica habitual. El ajuste de la temperatura, el tiempo de mantenimiento y los programas de calentamiento y enfriamiento modifica la difusión entre las partículas, la contracción de los poros y la evolución de la microestructura. Los investigadores también analizan los grandes huecos provocados por el gas atrapado durante la preparación de la materia prima o el moldeado, así como los poros finos causados por una densificación insuficiente. La preparación de la materia prima, los parámetros de inyección, la eliminación del aglutinante y el sinterizado se optimizan para reducir estos defectos.

También se pueden mezclar polvos producidos mediante diferentes procesos o con diferentes morfologías. Por ejemplo, el polvo esférico atomizado por gas se puede mezclar con polvo HDH para equilibrar la carga de polvo, el flujo de la materia prima, la contracción por sinterización y la retención de la forma.

Por lo tanto, la investigación sobre el titanio MIM comercialmente puro sigue una cadena de procesos interrelacionados: selección y mezcla de polvos, diseño del aglutinante, formulación y moldeo por inyección, desaglutinación, sinterización al vacío y control de poros e impurezas. Los parámetros de cada etapa se ajustan para estudiar sus efectos sobre la microestructura, las dimensiones y las propiedades finales.

Moldeo por inyección de polvo de Ti-6Al-4V

El Ti-6Al-4V es la aleación de titanio más utilizada. Combina resistencia al calor, resistencia mecánica, ductilidad, tenacidad, conformabilidad, soldabilidad, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad, y representa más de la mitad del uso total de titanio.

Ergül y sus colaboradores moldearon por inyección polvo de Ti-6Al-4V atomizado por gas. Las muestras presentaban una estructura acicular gruesa. Las temperaturas de sinterización más elevadas y los tiempos de mantenimiento más prolongados aumentaron la densidad, la resistencia a la tracción y el alargamiento. Tras 10 horas a 1 275 °C, la densidad alcanzó los 991 TP33T, la resistencia a la tracción fue de 704 MPa, el alargamiento fue de 6,371 TP33T y la dureza fue de 38,6 HRC. Otros estudios han señalado que unas temperaturas más elevadas y unos tiempos de mantenimiento más prolongados pueden provocar un engrosamiento de los granos y deteriorar el comportamiento frente a la fatiga.

El Centro de Investigación GKSS de Alemania utilizó polvo de Ti-6Al-4V atomizado por gas con un aglutinante a base de parafina. Las piezas en bruto se sometieron a un proceso de desaglutinación con disolvente en n-heptano, a un proceso de desaglutinación térmica en argón y a sinterización al vacío. La temperatura de sinterización y la velocidad de enfriamiento influyeron considerablemente en la resistencia a la tracción final, mientras que los parámetros de desligado tuvieron un efecto mínimo sobre dicha resistencia y los parámetros del proceso apenas influyeron en la ductilidad.

Otro equipo de investigación preparó una mezcla de polvo 90% de Ti-6Al-4V y polvo 10% HDH de Ti-6Al-4V con un aglutinante a base de parafina a 150 °C y la moldeó por inyección a 165 °C. Tras la eliminación del aglutinante, las piezas se sinterizaron al vacío durante 3 horas a 1 230 °C y se sometieron a prensado isostático en caliente durante 3 horas a 920 °C. La aleación densa alcanzó una resistencia a la tracción de 1 030 MPa, una reducción de sección de 12% y un alargamiento de 21%.

Moldeo por inyección de polvo de TiAl

Los compuestos intermetálicos de TiAl combinan las propiedades de la cerámica y los metales convencionales: baja densidad, alta temperatura de servicio, resistencia a altas temperaturas, rigidez específica y módulo de elasticidad elevados, así como buena resistencia a la oxidación, a la fluencia y a la fatiga. Se consideran materiales estructurales ligeros y prometedores para altas temperaturas. En comparación con el titanio puro, el TiAl requiere una temperatura de sinterización más elevada, absorbe impurezas con mayor facilidad y exige un control más estricto de las impurezas.

GKSS combinó polvo de TiAl atomizado por gas con un aglutinante a base de parafina. La eliminación del aglutinante en atmósfera de argón, la sinterización al vacío y el prensado isostático en caliente dieron como resultado una aleación densa con un bajo contenido en oxígeno. El argón en flujo durante el sinterizado impidió la evaporación del aluminio de la superficie del TiAl, pero los contenidos de carbono y oxígeno resultaron ser considerablemente más elevados que tras el sinterizado al vacío.

Kim y sus colaboradores utilizaron el proceso MIM para producir Ti-48Al con una densidad relativa de 98,81 TP33T, una microestructura fina y buenas propiedades. El polvo prealeado producido mediante SHS se mezcló con aglutinante y se moldeó a 120 °C. Tras la desligadura con disolvente, se llevó a cabo la desligadura térmica en argón o hidrógeno. La desligadura con hidrógeno depositó óxidos finos en los límites de las partículas originales de TiAl y redujo significativamente las propiedades mecánicas tras la sinterización. Un presinterizado de 3 horas a 1.000 °C, seguido de un sinterizado de 30 horas a 1.350 °C, permitió obtener una densidad relativa de 98,81 TP33T. La velocidad de calentamiento también influyó en la densidad; se consideró adecuada una velocidad de unos 3 °C/min.

Osaka Yakin Kogyo fabricó componentes de γ-TiAl con una composición nominal de Ti-47Al-2,6Cr en porcentaje atómico. El polvo de aleación se fabricó mediante síntesis autopropagada a alta temperatura; a continuación, se mezcló con un aglutinante orgánico, se compactó, se moldeó por inyección y se sinterizó. La densidad alcanzó los 97%, con una alta resistencia y ductilidad comparables a las de las muestras fabricadas de forma convencional.

Otro equipo utilizó polvo prealeado atomizado con gas inerte para moldear piezas complejas de TiAl con alto contenido en niobio. Tras un sinterizado de 2 horas a 1.480 °C, la densidad alcanzó los 96,21 TP33T. El material presentaba una estructura fina y uniforme, casi laminar, con un tamaño de lámina de unos 60 μm, una resistencia a la compresión de 2.839 MPa, una deformación a la compresión de 34,9%, resistencia a la tracción de 382 MPa y un alargamiento del 0,46%.

Otros sistemas de aleaciones de titanio

Las adiciones de aleación, como el circonio, el niobio, el tantalio, el paladio y el estaño, pueden mejorar las propiedades mecánicas, la resistencia a la corrosión y la biocompatibilidad. El estaño y el circonio también pueden mejorar la resistencia mecánica y la resistencia a la fluencia a altas temperaturas.

Investigadores de la Universidad de Kyushu moldearon por inyección Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si. La mezcla de polvo de elementos con titanio provocó una difusión deficiente de los elementos de alto punto de fusión y un elevado contenido de oxígeno, lo que redujo la densidad. El uso de polvo de titanio junto con polvo de aleación maestra dio como resultado una densidad de 96,4%, una resistencia a la tracción de 910 MPa y un alargamiento del 14,1%. La adición de 4% de Mo para formar Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo elevó la resistencia a la tracción a 1.010 MPa, al tiempo que se mantuvo un alargamiento del 14,7%.

El proceso MIM también se estudia ampliamente en el ámbito de las aleaciones de titanio para aplicaciones biomédicas. Los implantes de Ti-6Al-4V y Ti-6Al-7Nb pueden liberar iones de aluminio o vanadio, mientras que las aleaciones de Ti-Mo evitan estos elementos y combinan rendimiento mecánico, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad para aplicaciones dentales y ortopédicas.

Investigadores universitarios de Japón moldearon por inyección Ti-12Mo a partir de polvo de titanio con un tamaño medio de 38 μm y polvo de aluminio con un tamaño medio de 0,6 μm. [A VERIFICAR: la fuente identifica el polvo de aluminio en la materia prima del Ti-12Mo] Las piezas sin aglutinante se sinterizaron al vacío a una temperatura de entre 1.120 y 1.300 °C. A una temperatura de entre 1.160 y 1.200 °C, la resistencia a la tracción alcanzó los 1.000 MPa, comparable a la de una aleación forjada de la misma composición. Las temperaturas más elevadas provocaron un engrosamiento de los granos y una reducción de la resistencia. El prensado isostático en frío, realizado entre el presinterizado y el sinterizado final, aumentó la densidad final en un 10% y casi duplicó la resistencia a la tracción.

Investigadores del Instituto General de Investigación de Metales No Ferrosos de Pekín utilizaron tres tamaños diferentes de polvo de titanio para fabricar captadores de Ti-Mo mediante moldeo por inyección de polvo. El tamaño del polvo determinaba el área superficial específica y la porosidad, lo que a su vez influía en el rendimiento de captación de gases. El polvo con un tamaño medio de 35 μm produjo una alta porosidad y superficie específica, así como el mejor rendimiento de captación. Una carga de polvo de 40% por volumen también produjo una porosidad y una superficie específica relativamente altas.

MIM de titanio poroso

El titanio poroso y los nuevos sistemas de aleaciones de titanio pueden combinar una estructura porosa adecuada con las propiedades mecánicas necesarias para los implantes ortopédicos de sustitución. Su menor rigidez efectiva reduce el desajuste con el hueso y el efecto de protección contra las tensiones asociado a él. Además, los poros interconectados permiten que los fluidos corporales y las células óseas penetren en el implante.

El moldeo por inyección de polvo de aleaciones de titanio biomédicas porosas se propuso por primera vez en 2003. El KCl y el NaCl eran los agentes porosos más habituales, y se logró una porosidad superior a 10%. En estudios posteriores se añadió TiH₂ al polvo elemental de titanio-aluminio-vanadio como agente espumante y activador. El Ti-6Al-4V de célula abierta resultante presentaba una distribución uniforme de los poros, con tamaños de poro de 90-190 μm, una porosidad de 43%-59% y un módulo elástico de 5,8-9,5 GPa.

Otros investigadores combinaron polvo esférico atomizado, polvo de titanio HDH y un aglutinante a base de parafina con espaciadores de NaCl o KCl. Al modificar el contenido de los espaciadores se obtuvo titanio poroso con tamaños de poro y una porosidad adecuados para implantes médicos, mientras que la composición cumplía los requisitos establecidos para el titanio comercialmente puro de grado 3. En la Universidad Central del Sur, el polvo de titanio HDH y el NaCl permitieron obtener implantes de titanio poroso con una porosidad de 42,41 TP33T-71,61 TP33T y poros de hasta 300 μm. Al ajustar el contenido de NaCl se crearon poros interconectados, y las propiedades mecánicas se acercaron a las del hueso esponjoso.