Titanyum Metal Enjeksiyon Kalıplama Nasıl Çalışır?

Titanyum metal enjeksiyon kalıplama (MIM), ince tozun bağlayıcıyla karıştırılarak besleme hammaddesi hazırlanmasıyla başlar. Karışım ham parçaya enjeksiyonla kalıplanır; ardından bağlayıcı uzaklaştırılır ve nihai yoğunluk ile özellikleri elde etmek için parça sinterlenir. Toz türü, bağlayıcı sistemi, bağlayıcı giderme ve sinterleme koşulları ticari saf titanyum, titanyum hidrür, Ti-6Al-4V ve TiAl için farklılık gösterir. Süreç; motor supapları, türbin kanatları, saat kasaları, golf sopası başları, tüketici elektroniği parçaları ve tıbbi implantlar için araştırılmaktadır.

Ticari Saf Titanyum ve Titanyum Hidrür

Titanyum metal enjeksiyon kalıplama (Ti-MIM) yöntemi, biyomedikal ürünler ve hassas titanyum bileşenler için kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Araştırmalar genellikle toz türü ve parçacık boyutu, bağlayıcı sistemleri, bağlayıcının ayrılması, sinterleme programları, gözenekler ve safsızlık kontrolü konularını ele almaktadır.

Hammadde tozları arasında plazma atomize titanyum, gaz atomize küresel titanyum, titanyum hidrit ve hidrit-dehidrit (HDH) titanyum yer almaktadır. Bazı çalışmalarda 45 μm'den daha küçük atomize tozlar kullanılırken, diğerlerinde ortalama boyutu sadece birkaç mikrometre olan ince titanyum hidrit parçacıkları kullanılmaktadır. Bu seçimler, toz boyutu ve morfolojisinin hammadde davranışını, kalıplama kalitesini ve sinterleme yoğunlaşmasını nasıl etkilediğini ortaya koymaya yardımcı olur.

Bağlayıcı sistemleri, suda çözünür, parafin bazlı, naftalin bazlı veya parafin mumu (PW), polietilen glikol (PEG), düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) ve polipropilen (PP) içeren çok bileşenli karışımlar olabilir. Titanyum tozu ve bağlayıcı, homojen bir hammadde haline getirilir ve enjeksiyon kalıplama yoluyla ham parça olarak şekillendirilir.

Bağlayıcının ayrıştırılması işlemi, çözücü ile ekstraksiyon, ısıl işlem veya her ikisinin birleşimini içerebilir. Suda çözünen veya başka bir şekilde çözünebilen bağlayıcı bileşenleri için, öncelikle ana çözünür kısım ayrıştırılabilir; ardından, kalan organik maddeleri gidermek ve sinterleme sırasında karbon ve oksijen kontaminasyonunu sınırlamak amacıyla vakumda veya koruyucu atmosferde ısıl ayrıştırma işlemi uygulanabilir.

Vakumlu sinterleme yaygın bir yöntemdir. Sıcaklık, bekletme süresi ile ısıtma ve soğutma programlarının ayarlanması, parçacıklar arasındaki difüzyonu, gözenek büzülmesini ve mikroyapısal değişimi etkiler. Araştırmacılar ayrıca, hammadde hazırlığı veya kalıplama sırasında hapsolan gazın neden olduğu büyük boşlukları ve yetersiz yoğunlaşma sonucu oluşan ince gözenekleri de incelemektedir. Bu kusurları azaltmak için hammadde hazırlığı, enjeksiyon parametreleri, bağlayıcı maddenin uzaklaştırılması ve sinterleme işlemleri optimize edilir.

Farklı yöntemlerle üretilen veya farklı morfolojilere sahip tozlar da birbirleriyle karıştırılabilir. Örneğin, gazla atomize edilmiş küresel toz, toz yüklemesi, hammadde akışı, sinterleme büzülmesi ve şekil korumasını dengelemek amacıyla HDH tozu ile karıştırılabilir.

Bu nedenle, ticari saf titanyum MIM üzerine yapılan araştırmalar, birbiriyle bağlantılı bir süreç zincirini izlemektedir: toz seçimi ve karıştırma, bağlayıcı tasarımı, bileşik hazırlama ve enjeksiyon kalıplama, bağlayıcının ayrılması, vakumla sinterleme ile gözenek ve kirlilik kontrolü. Her aşamadaki parametreler, nihai mikro yapı, boyutlar ve özellikler üzerindeki etkilerinin incelenmesi amacıyla ayarlanmaktadır.

Ti-6Al-4V Toz Enjeksiyon Kalıplama

Ti-6Al-4V, en yaygın olarak kullanılan titanyum alaşımıdır. Isı direnci, mukavemet, süneklik, tokluk, şekillendirilebilirlik, kaynaklanabilirlik, korozyon direnci ve biyouyumluluk özelliklerini bir arada barındırır ve titanyum kullanımının yarısından fazlasını oluşturur.

Ergül ve meslektaşları, gazla atomize edilmiş Ti-6Al-4V tozunu enjeksiyon kalıplama yöntemiyle işlediler. Numuneler iri iğne benzeri bir yapıya sahipti. Daha yüksek sinterleme sıcaklıkları ve daha uzun bekletme süreleri, yoğunluğu, çekme mukavemetini ve uzamayı artırdı. 1.275 °C'de 10 saatlik işlemden sonra yoğunluk 99%'ye, çekme mukavemeti 704 MPa'ya, uzama oranı 6,37%'ye ve sertlik 38,6 HRC'ye ulaştı. Diğer çalışmalarda, daha yüksek sıcaklık ve daha uzun bekletme sürelerinin tane boyutunu irileştirebileceği ve yorulma performansını olumsuz etkileyebileceği belirtilmiştir.

Almanya’daki GKSS Araştırma Merkezi, parafin bazlı bir bağlayıcı içeren gazla atomize edilmiş Ti-6Al-4V tozu kullandı. Ham parçalar, n-heptan içinde çözücüyle bağlayıcıdan arındırıldı, argon ortamında termal olarak bağlayıcıdan arındırıldı ve vakum altında sinterlendi. Sinterleme sıcaklığı ve soğuma hızı nihai çekme mukavemetini büyük ölçüde etkilerken, bağlayıcı giderme parametrelerinin çekme mukavemeti üzerindeki etkisi azdı ve işlem parametrelerinin süneklik üzerindeki etkisi de azdı.

Başka bir araştırma ekibi, 90% Ti-6Al-4V tozu ile 10% HDH Ti-6Al-4V tozunu parafin bazlı bir bağlayıcıyla 150 °C’de karıştırdı ve 165 °C’de enjeksiyon kalıplama işlemine tabi tuttu. Bağlayıcı madde çıkarıldıktan sonra, parçalar 1.230 °C'de 3 saat boyunca vakumla sinterlendi ve 920 °C'de 3 saat boyunca sıcak izostatik presleme işlemine tabi tutuldu. Yoğun alaşım, 1.030 MPa çekme mukavemetine, 12% alan daralmasına ve 21% uzamaya ulaşmıştır.

TiAl Toz Enjeksiyon Kalıplama

TiAl intermetalikleri, seramiklerin ve geleneksel metallerin özelliklerini bir araya getirir: düşük yoğunluk, yüksek çalışma sıcaklığı, yüksek sıcaklık mukavemeti, özgül sertlik ve elastik modül ile iyi oksidasyon, sünme ve yorulma direnci. Bunlar, gelecek vaat eden hafif, yüksek sıcaklık yapısal malzemeler olarak kabul edilir. Saf titanyuma kıyasla TiAl, daha yüksek sinterleme sıcaklığı gerektirir, safsızlıkları daha kolay emer ve daha sıkı bir safsızlık kontrolü gerektirir.

GKSS, gazla atomize edilmiş TiAl tozunu parafin bazlı bir bağlayıcıyla birleştirdi. Argon atmosferinde bağlayıcının giderilmesi, vakumla sinterleme ve sıcak izostatik presleme işlemleri sonucunda, düşük oksijen içeriğine sahip yoğun bir alaşım elde edildi. Sinterleme sırasında akan argon, TiAl yüzeyinden alüminyum buharlaşmasını önledi, ancak karbon ve oksijen içerikleri vakum sinterlemesinden sonra elde edilenlere kıyasla önemli ölçüde daha yüksekti.

Kim ve meslektaşları, MIM yöntemini kullanarak 98,8% bağıl yoğunluğa, ince mikroyapıya ve iyi özelliklere sahip Ti-48Al üretmişlerdir. SHS yöntemiyle üretilen önceden alaşımlanmış toz, bağlayıcı ile karıştırılmış ve 120 °C’de kalıplanmıştır. Çözücü ile bağlayıcının uzaklaştırılmasından sonra, argon veya hidrojen ortamında termal bağlayıcı giderme işlemi gerçekleştirildi. Hidrojenle bağlayıcı giderme işlemi, orijinal TiAl parçacık sınırlarında ince oksit birikintileri oluşturdu ve sinterleme sonrasında mekanik özellikleri önemli ölçüde düşürdü. 1.000 °C'de 3 saatlik ön sinterleme ve ardından 1.350 °C'de 30 saatlik sinterleme işlemi sonucunda 98,8% bağıl yoğunluk elde edildi. Isıtma hızı da yoğunluğu etkiledi; yaklaşık 3 °C/dk uygun kabul edildi.

Osaka Yakin Kogyo, atom yüzdesi cinsinden nominal Ti-47Al-2,6Cr bileşimine sahip γ-TiAl bileşenleri üretmiştir. Alaşım tozu, kendiliğinden yayılan yüksek sıcaklık sentezi yöntemiyle üretildikten sonra organik bir bağlayıcı ile karıştırıldı, bileşik haline getirildi, enjeksiyon kalıplama işlemine tabi tutuldu ve sinterlendi. Yoğunluk 97% değerine ulaştı; ürün, geleneksel yöntemlerle üretilen numunelerle karşılaştırılabilir düzeyde yüksek mukavemet ve süneklik sergiledi.

Başka bir ekip, karmaşık, yüksek niyobyum içeren TiAl parçalarını kalıplamak için inert gazla atomize edilmiş önceden alaşımlı toz kullandı. 1.480 °C’de 2 saat süreyle sinterleme işleminden sonra yoğunluk 96,2%’ye ulaştı. Malzeme, yaklaşık 60 μm lameller boyutuna sahip homojen, ince, neredeyse lameller bir yapıya sahipti; basınç dayanımı 2.839 MPa, basınç gerinimi 34,9%, 382 MPa çekme mukavemeti ve 0,46% uzama değerine sahipti.

Diğer Titanyum Alaşım Sistemleri

Zirkonyum, niyobyum, tantal, paladyum ve kalay gibi alaşım katkı maddeleri, mekanik özellikleri, korozyon direncini ve biyouyumluluğu artırabilir. Kalay ve zirkonyum ayrıca mukavemeti ve yüksek sıcaklıkta sünme direncini de artırabilir.

Kyushu Üniversitesi araştırmacıları, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si alaşımını enjeksiyon kalıplama yöntemiyle ürettiler. Titanyum tozuna diğer element tozlarının karıştırılması, yüksek erime noktalı elementlerin difüzyonunun zayıflamasına ve oksijen içeriğinin artmasına neden olarak yoğunluğu düşürdü. Ana alaşım tozu ile titanyum tozunun kullanılması sonucunda 96,4% yoğunluk, 910 MPa çekme mukavemeti ve 14,1% uzama elde edildi. Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo bileşimini oluşturmak için 4% Mo ilavesi, 14,7% uzama oranını korurken çekme mukavemetini 1.010 MPa'ya yükseltti.

MIM, biyomedikal titanyum alaşımları konusunda da yaygın olarak incelenmektedir. Ti-6Al-4V ve Ti-6Al-7Nb implantlar alüminyum veya vanadyum iyonları salabilirken, Ti-Mo alaşımları bu elementleri içermez ve diş hekimliği ile ortopedi uygulamaları için mekanik performans, korozyon direnci ve biyouyumluluğu bir arada sunar.

Japonya’daki üniversite araştırmacıları, ortalama boyutu 38 μm olan titanyum tozu ve ortalama boyutu 0,6 μm olan alüminyum tozundan Ti-12Mo’yu enjeksiyon kalıplama yöntemiyle ürettiler. [DOĞRULANMASI GEREKEN: Kaynak, Ti-12Mo hammaddesinde alüminyum tozunun bulunduğunu belirtmektedir] Bağlayıcı maddeden arındırılmış parçalar, 1.120-1.300 °C'de vakumla sinterlendi. 1.160-1.200 °C'de çekme mukavemeti, aynı bileşime sahip dövme alaşımla karşılaştırılabilir düzeyde olan 1.000 MPa'ya ulaştı. Daha yüksek sıcaklıklar, taneleri irileştirdi ve mukavemeti düşürdü. Ön sinterleme ile nihai sinterleme arasındaki soğuk izostatik presleme işlemi, nihai yoğunluğu 10% artırmış ve çekme mukavemetini neredeyse iki katına çıkarmıştır.

Pekin Demirsiz Metaller Genel Araştırma Enstitüsü’ndeki araştırmacılar, toz enjeksiyon kalıplama yöntemiyle Ti-Mo getterleri üretmek için üç farklı boyutta titanyum tozu kullandılar. Toz boyutu, özgül yüzey alanını ve gözenekliliği belirledi; bu da gaz tutma performansını etkiledi. Ortalama boyutu 35 μm olan toz, yüksek gözeneklilik ve yüzey alanı ile en iyi gaz tutma performansını sağladı. Hacimce % oranında toz yüklemesi de nispeten yüksek gözeneklilik ve yüzey alanı sağladı.

Gözenekli Titanyumun MIM ile Üretimi

Gözenekli titanyum ve yeni nesil titanyum alaşım sistemleri, uygun bir gözenek yapısını ortopedik protez implantlar için gerekli mekanik özelliklerle bir araya getirebilir. Bu malzemelerin daha düşük etkin sertliği, kemikle aradaki uyumsuzluğu ve buna bağlı gerilim kalkanı etkisini azaltır. Birbirine bağlı gözenekler ayrıca vücut sıvılarının ve kemik hücrelerinin implanta nüfuz etmesine olanak tanır.

Gözenekli biyomedikal titanyum alaşımlarının toz enjeksiyon kalıplaması ilk olarak 2003 yılında önerilmiştir. KCl ve NaCl yaygın olarak kullanılan boşluk dolduruculardı ve 10%’nin üzerinde bir gözeneklilik elde edilmiştir. Daha sonraki çalışmalarda TiH eklenmiştir₂ titanyum-alüminyum-vanadyum element tozuna köpük oluşturucu ve aktivatör olarak. Elde edilen açık hücreli Ti-6Al-4V, homojen bir gözenek dağılımına, 90-190 μm aralığında gözenek boyutlarına, 43%-59% aralığında gözenekliliğe ve 5,8-9,5 GPa aralığında elastik modüle sahipti.

Diğer araştırmacılar, atomize küresel toz, HDH titanyum tozu ve parafin bazlı bir bağlayıcıyı NaCl veya KCl boşluk tutucularla birleştirdiler. Boşluk tutucu içeriğinin değiştirilmesi, tıbbi implantlara uygun gözenek boyutları ve gözenekliliğe sahip gözenekli titanyum elde edilmesini sağlarken, bileşim belirtilen 3. Sınıf ticari saf titanyum gereksinimlerini karşıladı. Central South Üniversitesi’nde, HDH titanyum tozu ve NaCl kullanılarak 42,4%-71,6% gözenekliliğe ve 300 μm’ye kadar gözeneklere sahip gözenekli titanyum implantlar üretildi. NaCl içeriğinin ayarlanmasıyla birbirine bağlı gözenekler oluşturuldu ve mekanik özellikler süngerimsi kemiğin özelliklerine yaklaştı.