基于氢化钛制备多孔钛的工艺及性能研究

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钛及钛合金具有良好的化学耐腐蚀性及良好的生物相容性,较低的弹性模量,较高的比强度,引起了较多学者的关注,在医疗骨替换及牙齿等方面具有广泛的前景。钛在自然界的丰度比较高,但因其比较活泼,冶炼加工成本比较高,限制了它的使用。粉末冶金法是获得低成本钛的有效方法。钛在医疗领域用作骨替换材料,但钛及钛合金材料相比骨的弹性模量及抗压强度较高,力学性能不匹配,易造成应力屏蔽从而使植入失效。降低钛的弹性模量使力学性能与骨相匹配,进而对钛的表面改性以提高生物相容性一直是钛骨植入物研究重点方向之一。通过粉末冶金方法,在钛基材料中引入孔隙,可以有效调节钛的弹性模量及力学性能。本研究以氢化钛及其他合金粉为原料,氯化钠和碳酸氢铵为造孔剂,利用真空烧结制备多孔钛及多孔钛合金。研究了压制压力,烧结温度和保温时间等工艺因素对钛致密度的影响,以及造孔剂含量、种类与钛多孔体孔隙率的关系;在此基础上对多孔钛合金的微观结构、力学性能进行分析,并基于大量实验数据对多孔力学性能进行拟合分析和实验验证。主要研究结论如下:(1)成型压力、烧结温度和保温时间都会对孔隙率及孔径造成影响。在没有添加造孔剂的情况下,改变压制压力制备纯钛样品观察其致密度情况,随着烧结温度及烧结时间的增加致密度有所增加,但变化不是很大。当压制压力为155MPa时,其致密度为91.13%,随着压力的增大致密度逐渐增大,当压制压力增加到388MPa时,致密度增加至95.57%。选择压制压力为280MPa添加质量为30wt.%NH4HCO3,当烧结温度为950℃对应孔隙率分别52.34%,当温度升高至1200℃时孔隙率为47.22%,温度升高250℃孔隙率下降5%左右;使用氢化钛在280MPa下制备压坯,设置烧结温度为1100℃,保温时间分别为1.5h,2h,2.5h,随着保温时间的延长样品致密度逐渐升高。保温1.5h时致密度为94.56%,保温2.5h时致密度为96.31%,保温时间从1.5小时延长至2.5h致密度仅上升1.75%。(2)通过添加10wt.%~60wt.%的造孔剂,选择压制压力为280MPa,设置烧结温度为1100℃保温2h制备出多孔钛,碳酸氢铵作为造孔剂时孔隙率范围为,22.38%~73.24%,弹性模量1.64~10.47GPa,强度为17.36~360.23MPa,氯化钠作为造孔剂时孔隙率范围为9.75%~66.86%弹性模量为2.23~13.14GPa,强度为37.66~576.59MPa。(3)SEM\XRD\金相分析结果显示,当添加不同质量百分比的碳酸氢铵及氯化钠作为造孔剂时,都制备出较好的多孔钛,未引入杂质,其组织为α-钛。当添加量小于30wt.%时,孔隙的连通率较低,难以形成三维联通情况。其孔隙分布有两种,一种是较大孔隙几百微米,一种是较小孔隙几十微米到几微米,造孔剂含量增大,其孔壁逐渐变薄,孔隙相互重叠,使孔径变大,这种复合孔隙满足骨组织的生长要求。(4)多孔钛的静态压缩性能,从应力-应变曲线上看制备出的多孔钛符合多孔材料典型的三个阶段的力学行为及弹性阶段、平台阶段和致密化阶段。较高率的多孔钛具有明显的平台阶段,而低孔隙的平台不明显,其制备的多孔钛力学性能满足作为植入材料的需求。(5)通过对实验数据进行分析,制备出的多孔钛弹性模量、屈服强度和孔隙率之间具有一定关系,通过采用Gibson-Ashby模型公式对其进行拟合,得到符合本实验的相关常数。(6)通过采用制备多孔钛经验,添加自制纳米银制备含银多孔钛,为制备抗菌多孔钛材料提供了一种新思路,及添加Nb,Zr H2粉末制备Ti-13-Nb-13Zr低弹性模量多孔钛合金。
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