鈦及鈦合金的金屬注射成形

01 簡述/Introduction

鈦及鈦合金的比重幾乎是鐵金屬的一半，具有低密度、良好的耐腐蝕能力、高比強(qiáng)度以及令人滿意的生物兼容性，在航空、航天、化工、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并為人類社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，尤其是在人體植入物取代失效的骨骼 如假牙、牙根、義肢等骨骼補(bǔ)強(qiáng)，是一種能夠造福了人類的好材料

然而，鈦及鈦合在粉末冶金技術(shù)上最大的難題是如何減少或避免氧化的發(fā)生，根據(jù)吉布斯自由能(Gibbs Free Energy)所繪制的氧化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能—溫度圖的觀察，想要把氧化的鈦或鈦合金還原回金屬，所付出的代價極為龐大不符合經(jīng)濟(jì)效益，這也是鈦及鈦合在粉末冶金制程上的劣勢，與鐵系家族材料相比，就失去了加工成本的優(yōu)勢。無怪乎鈦與鈦合金在傳統(tǒng)塊材加工的優(yōu)勢比起粉末冶金要高許多，這是粉末冶金從業(yè)首先要知悉的

02 注意要點(diǎn)

鈦及鈦合金的粉末注射成形產(chǎn)品要能成功，必須按照以下方式著手

• 起始粉末的氧含量控制，必須要把粉末的氧含量控制在3000 ppm以下，最好當(dāng)然是控制在小于1000 ppm；購買低氧含量的粉末才有良品產(chǎn)出的機(jī)會

• 制程中必須注意到與氧氣反應(yīng)的機(jī)會，混料粉末與黏結(jié)劑必須在保護(hù)氣氛下進(jìn)行、注射成形盡可能減少加溫與保溫時間的減少、脫脂過程采用還原性氣體保護(hù)或改用還原性草酸脫脂、脫脂后立刻進(jìn)行真空或是保護(hù)氣氛燒結(jié)；

• 燒結(jié)承燒板與支架系統(tǒng)的設(shè)計，利用不易被鈦搶氧的氧化鋯板、小塊海綿鈦犧牲擺設(shè)協(xié)助燒結(jié)系統(tǒng)內(nèi)氧含量降低；

• 在材料粉末系統(tǒng)中加入搶氧的的成分，如鎂，但這樣可能造鈦及鈦合金的成分變異，燒結(jié)后鈦及鈦合金強(qiáng)度變差

2.1粉末原料選擇

使用低氧含量的粉末是鈦及鈦合金注射成形的首選，這意味著粉末使用的是氣霧化法的球行粉末較為適合，氣霧化粉因?yàn)槭褂枚栊詺怏w加壓冷卻，粉末顆粒較大而圓，氧含量較低，目前以美國的卡本特與英國的山特維克為主，粉末粒徑以d50=10~12um為宜，過于細(xì)小的粉末容易氧化，制程過程也較危險；水霧化法過于細(xì)小和粗糙，機(jī)械破碎法的顆粒較大，都不適合注射成形制程；另一派說法支持以氫化鈦粉除氫，并以高能量如等離子破碎圓化粉末，雖然取得原料成本很低，但是專利的糾紛和控制設(shè)備的投資頗高，目前尚未普及.

2.2黏結(jié)劑配方

調(diào)配鈦及鈦合金有兩種喂料系統(tǒng)，建議如下表1所示，配方比以收縮率范圍1.166~1.220之間較佳。這些配方都是市面上已經(jīng)公開的

表1.鈦及鈦合金的配方調(diào)配表

由于鈦及鈦合金的氧化問題，建議配方比中的金屬體積不高于63%，以避免喂料調(diào)配與注射成形過程粉末的摩擦可能，一旦摩擦溫度過高導(dǎo)致氧化的可能性增加

2.3喂料調(diào)配的注意事項(xiàng)

特別要注意控制混合喂料的投入材料順序和溫度的控制，請見表2的描述。兩種喂料的混合程序建議。注意到混合過程一定要以保護(hù)氣氛進(jìn)行氧氣的排除，注意到所有高分子黏結(jié)劑顆?；蚴欠勰┮欢ㄟM(jìn)行烘干，確保沒有水分，難以烘干的蠟和硬脂酸等低分子黏結(jié)劑，建議以低溫真空去除水分.

表2. 喂料的混合程序建議

03 主要制程

一但喂料完成一直到注射成形，這是整個粉末最安全的狀態(tài)，可以暴露在空氣中作業(yè)無妨，但是在注射過程的加熱一定要注意不要讓喂料停留在炮管中太久。注射塑基喂料過程一但故障、調(diào)機(jī)，一定要把射嘴溫度和最高溫區(qū)域設(shè)定在10分鐘不工作就要將溫度切斷，使喂料低于150℃.

鈦及鈦合金注射成形后生坯與一般金屬材料的喂料無異，可以放置在空氣中。鈦及鈦合金粉末包覆了黏結(jié)劑之后，黏結(jié)劑可以有效的阻隔空氣中的氧。然后進(jìn)行脫脂后，不論是溶劑脫脂還是還原性的草酸脫脂(不建議使用強(qiáng)氧化的硝酸脫脂方式)，首先要確保離開爐體的溫度要低于50℃以下，以確保氧化不會發(fā)生，脫脂后的棕坯是多孔性的，非常容易與空氣中的氧反應(yīng)，請注意。棕坯放置在外的時間越短越好，盡快的進(jìn)入燒結(jié)系統(tǒng)中.

燒結(jié)的承燒板以及燒結(jié)盒的設(shè)計是重要的，由于鈦及鈦合金的氧親和性高，在高溫狀態(tài)甚至能夠奪取氧化鋁中的氧，因此陶瓷承燒板建議采用氧化鋯板，但不要選擇碳化或氮化的材料，鈦及鈦合金也喜歡親和碳元素和氮元素。在過去的燒結(jié)經(jīng)驗(yàn)中，在燒結(jié)箱中放置海綿鈦?zhàn)鳛閾屟醯臓奚鼔K，這是有效但是降低了燒結(jié)爐的效率，每次要消耗不少的海綿鈦之外，佔(zhàn)據(jù)的空間和消耗的熱量都是負(fù)面的.

以上是在制作鈦及鈦合金粉末注射成形的經(jīng)驗(yàn)分享，操作者一定要謹(jǐn)慎，純鈦的細(xì)粉狀態(tài)是高危險性，這些有色金屬(密度<4.5g/c.c.)都具有粉塵爆炸的風(fēng)險，雖然鈦及鈦合金已經(jīng)算是活性最低的有色金屬.