钛及钛合金的金属注射成形

01 简述/Introduction

钛及钛合金的比重几乎是铁金属的一半，具有低密度、良好的耐腐蚀能力、高比强度以及令人满意的生物兼容性，在航空、航天、化工、生物医学等领域得到广泛的应用，并为人类社会带来巨大的经济效益，尤其是在人体植入物取代失效的骨骼 如假牙、牙根、义肢等骨骼补强，是一种能够造福了人类的好材料

然而，钛及钛合在粉末冶金技术上最大的难题是如何减少或避免氧化的发生，根据吉布斯自由能(Gibbs Free Energy)所绘制的氧化物的标准生成自由能—温度图的观察，想要把氧化的钛或钛合金还原回金属，所付出的代价极为庞大不符合经济效益，这也是钛及钛合在粉末冶金制程上的劣势，与铁系家族材料相比，就失去了加工成本的优势。无怪乎钛与钛合金在传统块材加工的优势比起粉末冶金要高许多，这是粉末冶金从业首先要知悉的

02 注意要点

钛及钛合金的粉末注射成形产品要能成功，必须按照以下方式着手

• 起始粉末的氧含量控制，必须要把粉末的氧含量控制在3000 ppm以下，最好当然是控制在小于1000 ppm；购买低氧含量的粉末才有良品产出的机会

• 制程中必须注意到与氧气反应的机会，混料粉末与黏结剂必须在保护气氛下进行、注射成形尽可能减少加温与保温时间的减少、脱脂过程采用还原性气体保护或改用还原性草酸脱脂、脱脂后立刻进行真空或是保护气氛烧结；

• 烧结承烧板与支架系统的设计，利用不易被钛抢氧的氧化锆板、小块海绵钛牺牲摆设协助烧结系统内氧含量降低；

• 在材料粉末系统中加入抢氧的的成分，如镁，但这样可能造钛及钛合金的成分变异，烧结后钛及钛合金强度变差

2.1粉末原料选择

使用低氧含量的粉末是钛及钛合金注射成形的首选，这意味着粉末使用的是气雾化法的球行粉末较为适合，气雾化粉因为使用惰性气体加压冷却，粉末颗粒较大而圆，氧含量较低，目前以美国的卡本特与英国的山特维克为主，粉末粒径以d50=10~12um为宜，过于细小的粉末容易氧化，制程过程也较危险；水雾化法过于细小和粗糙，机械破碎法的颗粒较大，都不适合注射成形制程；另一派说法支持以氢化钛粉除氢，并以高能量如等离子破碎圆化粉末，虽然取得原料成本很低，但是专利的纠纷和控制设备的投资颇高，目前尚未普及.

2.2黏结剂配方

调配钛及钛合金有两种喂料系统，建议如下表1所示，配方比以收缩率范围1.166~1.220之间较佳。这些配方都是市面上已经公开的

表1.钛及钛合金的配方调配表

由于钛及钛合金的氧化问题，建议配方比中的金属体积不高于63%，以避免喂料调配与注射成形过程粉末的摩擦可能，一旦摩擦温度过高导致氧化的可能性增加

2.3喂料调配的注意事项

特别要注意控制混合喂料的投入材料顺序和温度的控制，请见表2的描述。两种喂料的混合程序建议。注意到混合过程一定要以保护气氛进行氧气的排除，注意到所有高分子黏结剂颗粒或是粉末一定进行烘干，确保没有水分，难以烘干的蜡和硬脂酸等低分子黏结剂，建议以低温真空去除水分.

表2. 喂料的混合程序建议

03 主要制程

一但喂料完成一直到注射成形，这是整个粉末最安全的状态，可以暴露在空气中作业无妨，但是在注射过程的加热一定要注意不要让喂料停留在炮管中太久。注射塑基喂料过程一但故障、调机，一定要把射嘴温度和最高温区域设定在10分钟不工作就要将温度切断，使喂料低于150℃.

钛及钛合金注射成形后生坯与一般金属材料的喂料无异，可以放置在空气中。钛及钛合金粉末包覆了黏结剂之后，黏结剂可以有效的阻隔空气中的氧。然后进行脱脂后，不论是溶剂脱脂还是还原性的草酸脱脂(不建议使用强氧化的硝酸脱脂方式)，首先要确保离开炉体的温度要低于50℃以下，以确保氧化不会发生，脱脂后的棕坯是多孔性的，非常容易与空气中的氧反应，请注意。棕坯放置在外的时间越短越好，尽快的进入烧结系统中.

烧结的承烧板以及烧结盒的设计是重要的，由于钛及钛合金的氧亲和性高，在高温状态甚至能够夺取氧化铝中的氧，因此陶瓷承烧板建议采用氧化锆板，但不要选择碳化或氮化的材料，钛及钛合金也喜欢亲和碳元素和氮元素。在過去的燒結經驗中，在燒結箱中放置海綿鈦作為搶氧的犧牲塊，這是有效但是降低了燒結爐的效率，每次要消耗不少的海綿鈦之外，佔據的空間和消耗的熱量都是負面的.

以上是在制作钛及钛合金粉末注射成形的经验分享，操作者一定要谨慎，纯钛的细粉状态是高危险性，这些有色金属(密度<4.5g/c.c.)都具有粉尘爆炸的风险，虽然钛及钛合金已经算是活性最低的有色金属.