新型医用梯度多孔Ti-Mo-Ta-Nb-Zr合金制备与组织性能研究

摘要

医用β型钛合金是当前应用最为广泛的硬组织植入材料之一，其中拥有较高强度而弹性模量仍匹配人体骨骼的多孔β钛合金成为近年来研究和开发的重点。但随着孔隙引入，弹性模量得到有效减小同时力学性能也随之大幅度降低，尤其是抗压强度。　　本文以元素粉末冶金法与造孔剂法相结合制备低模量高强度的新型医用梯度多孔Ti-14Mo-2.1Ta-0.9Nb-7Zr合金，通过阿基米德法、X射线衍射分析和力学性能测试研究了元素粉末冶金法的不同工艺参数、造孔剂的用量和粒径尺寸以及不同的梯度结构设计对多孔钛合金孔隙率、物相组成、弹性模量及抗压强度的影响，使用扫描电镜（SEM）观察合金表面微观组织形态以及压缩断口形貌并用能谱仪进行成分分析。研究结果表明：　　以元素粉末冶金法制备所得多孔Ti-14Mo-2.1Ta-0.9Nb-7Zr合金为近β型钛合金，可以通过调控成型压力、烧结温度和时间三项工艺参数来调节合金孔隙率和相结构，达到控制合金弹性模量和抗压强度的目的；在200MPa、1200℃及3h条件下制备合金，其弹性模量为20.91GPa，抗压强度达到1420MPa，压缩断裂方式为准解理断裂，符合医用植入材料力学性能要求。　　造孔剂法制备所得高孔隙率多孔Ti-14Mo-2.1Ta-0.9Nb-7Zr合金也为近β型钛合金；随着造孔剂用量增加，平均孔径无变化，孔隙率呈线性增长，弹性模量和抗压强度减小，其中弹性模量的变化满足线性关系；随着造孔剂粒径尺寸增加，平均孔径增大而孔隙率基本不变，抗压强度和弹性模量减小；添加质量分数20％、粒径尺寸为125~200?m的NH4HCO3造孔剂制备多孔Ti-14Mo-2.1Ta-0.9Nb-7Zr合金，孔隙率达到38.9%并含有利于细胞生长的贯穿孔，抗压强度达到405MPa，而弹性模量为9.19GPa，能够在满足医用植入材料力学性能要求的同时，提升合金的生物相容性。　　在内外两层添加不同用量NH4HCO3造孔剂来制备所得新型医用双层梯度多孔Ti-14Mo-2.1Ta-0.9Nb-7Zr合金属于近β型钛合金；内层造孔剂用量均为20%时，随着外层造孔剂用量增加，合金孔隙率呈线性增长趋势，弹性模量和抗压强度逐渐下降且幅度减小；梯度结构为TD1020的多孔Ti-14Mo-2.1Ta-0.9Nb-7Zr合金拥有“内疏外密”的仿人体骨骼结构，并且具有低模量高强度的力学性能，适合用作人体骨骼替代的医用植入材料。

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