一种多孔梯度Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金的粉末烧结方法

摘要

一种多孔梯度Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金的粉末烧结方法，包括以下步骤：取TiH

说明书

技术领域

本发明属于多孔梯度合金的制备方法领域，特别涉及一种多孔梯度 Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金的粉末烧结方法。

背景技术

人体某些骨骼的微观结构、物性参数等呈现出梯度变化特点。另外，松质 骨所具有的多孔结构有助于养分和体液的传输以及组织的长入。

传统致密态钛合金因为具有较好的生物相容性而成为硬组织替换与修复的 医用材料。但其弹性模量远高于人体硬组织的弹性模量，会引起应力遮挡效应 而造成骨质疏松等问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种多孔梯度Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金的粉末烧结方法， 本方法能烧结成具有多孔及梯度的Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金材料，本合金的弹性 模量与人体硬组织的弹性模量相匹配。

采用的技术方案是：

一种多孔梯度Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金的粉末烧结方法，包括以下步骤：

(1)、取平均粒度≤75μm的TiH₂、Mo、Zr和Fe粉末，备用。取粒度范围 为20-370μm的造孔剂(碳酸氢铵粉末)，备用。

(2)、按照质量比为TiH₂∶Mo∶Zr∶Fe＝83.09-83.59∶11.75-12.25∶ 5.75-6.25∶1.75-2.25的比例取TiH₂、Mo、Zr和Fe粉末，在混料器中混合24 -48小时，制成金属粉末混合物，备用。

(3)、从上述已制成的金属粉末混合物中至少取出金属粉末混合物三份， 分别与对应质量的造孔剂在混料器中混合6-12小时，制成至少三种金属粉末 与造孔剂的混合物，备用。所述的造孔剂在金属粉末与造孔剂的混合物中的质 量百分数为5-50％。

(4)、依次将上述制成的至少三种金属粉末与造孔剂的混合物放入模具中， 在50-60MPa的压强下压制成设定形状的坯料备用。

(5)、将上述坯料放入真空烧结炉中，以≤20℃/分钟的速度加热至160- 170℃，保温1小时，使造孔剂完全分解：

NH₄HCO₃＝NH₃↑+CO₂↑+H₂O↑

生成的气体由真空系统排出坯料和炉腔，在造孔剂的位置于坯料内生成孔 隙。

而后将坯料以≤20℃/分钟的速度加热至830℃保温1-2小时，以便氢化钛 粉末完全分解：

TiH₂＝Ti+H₂↑

生成的气体由真空系统排出坯料和炉腔，为保护性气氛。

然后将坯料继续以≤20℃/分钟的速度加热至1160-1250℃保温4-12小时 完成烧结。真空烧结炉(10^-1Pa≤真空度≤10^-3Pa)。

金属粉末在高温和真空条件下烧结是个物理扩散过程，随着烧结过程的进 行，β相逐渐成为主相，最后经冷却即可得到多孔梯度Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金， 其孔隙度范围为10.0-70.2％，平均孔隙尺寸范围为50-400μm。

所述的造孔剂为碳酸氢铵粉末。得到的多孔梯度Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金的 的每段合金的孔隙度和平均孔隙尺寸在上述的孔隙度和平均孔隙尺寸范围内根 据需要选取。

所述的梯度为多孔合金的孔隙特性(孔隙度或孔隙尺寸)沿着某方向具有 一定的变化率。

所烧结的多孔梯度合金的孔隙度(P)与造孔剂在金属粉末与造孔剂的混合 物中的质量百分数(C)间的经验关系式为P≈0.0341+1.31624C+0.03828C²，例如 C＝5％，即0.05时，P≈0.1，即10％。

所烧结的多孔梯度合金的平均孔隙尺寸比造孔剂的平均粒度大30μm。

其优点在于：

本多孔梯度Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金具有较低的与人体硬组织匹配的弹性模 量。其多孔结构与人体松质骨的微观结构相似。合金中的Ti、Mo、Zr、Fe属于 无或低细胞毒性的生物相容性好的元素。本合金可用于人体硬组织如骨骼、牙 根等的替换与修复，是理想的硬组织替代材料。本发明工艺简单，节能效果好， 环保，造孔质量高，孔隙度范围宽，平均孔隙尺寸范围宽。

具体实施方式

实施例一

(1)、取平均粒度≤75μm的商用TiH₂、Mo、Zr和Fe粉末，备用。取设定 粒度范围的造孔剂碳酸氢铵粉末，备用。

(2)、先按质量比TiH₂∶Mo∶Zr∶Fe＝83.09∶11.75∶5.75∶1.75配制商用 TiH₂、Mo、Zr和Fe金属粉末并在混料器中混合24小时，制成金属粉末混合物。

(3)、取上述配制的66.5g金属粉末混合物与3.5g的粒度范围为180- 200μm的碳酸氢铵粉末在混料器中混合6小时，制成金属粉末与造孔剂的混合 物。

取上述配制的52.5g金属粉末混合物与17.5g的粒度范围为180-200μm的 碳酸氢铵粉末在混料器中混合6小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物。

取上述配制的35g金属粉末混合物与35g的粒度范围为180-200μm的碳酸 氢铵粉末在混料器中混合6小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物。

(4)、然后依次将上述配制的金属粉末与造孔剂的混合物放入模具中，在 50MPa压强下压制成Φ30mm×60mm的坯料。

(5)、随后将坯料放入真空烧结炉中以≤20℃/分钟的速度加热至160℃保 温1小时，然后以≤20℃/分钟的速度加热至830℃保温1小时，最后以≤20℃/ 分钟的速度加热至1250℃保温4小时，冷却得到多孔梯度Ti-12Mo-6Zr-2Fe合 金。

真空烧结炉(真空度10^-1Pa)。

该合金分为三段，孔隙度依次分别为10.0％、36.6％和70.2％，平均孔隙尺 寸范围为210-230μm。

实施例二

(1)、取平均粒度≤50μm的商用TiH₂、Mo、Zr和Fe粉末，备用。取设定 粒度范围的造孔剂碳酸氢铵粉末，备用。

(2)、先按质量比TiH₂∶Mo∶Zr∶Fe＝83.59∶12.25∶6.25∶2.25配制商用 TiH₂、Mo、Zr和Fe金属粉末并在混料器中混合48小时，制成金属粉末混合物。

(3)、取上述配制的45.5g金属粉末混合物与24.5g的粒度范围为210- 240μm的碳酸氢铵粉末在混料器中混合12小时，制成金属粉末与造孔剂的混合 物。

取上述配制的45.5g金属粉末混合物与24.5g的粒度范围为270-300μm的 碳酸氢铵粉末在混料器中混合12小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物。

取上述配制的45.5g金属粉末混合物与24.5g的粒度范围为340-370μm的 碳酸氢铵粉末在混料器中混合12小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物。

(4)、然后依次将上述配制的金属粉末与造孔剂的混合物放入模具中，在 60MPa压强下压制成Φ30mm×60mm的坯料。

(5)、随后放入真空烧结炉中以≤20℃/分钟的速度加热至170℃保温1小 时，以≤20℃/分钟的速度加热至830℃保温2小时，最后以≤20℃/分钟的速度 加热至1160℃保温12小时，冷却得到多孔梯度Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金。

真空烧结炉(真空度10^-3Pa)。

该合金分为三段，平均孔隙尺寸范围依次分别为240-270μm、300-330μm、 370-400μm呈梯度变化。孔隙度分别为50％。

实施例三

(1)、取平均粒度≤75μm的商用TiH₂、Mo、Zr和Fe粉末，备用。取设定 粒度范围的造孔剂碳酸氢铵粉末，备用。

(2)、先按质量比TiH₂∶Mo∶Zr∶Fe＝83.34∶12.00∶6.00∶2.00配制商用 TiH₂、Mo、Zr和Fe金属粉末并在混料器中混合36小时，制成金属粉末混合物。

(3)、取上述配制的66.5g金属粉末混合物与3.5g的粒度范围为20-50μm 的碳酸氢铵粉末在混料器中混合8小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物。

取上述配制的63g金属粉末混合物与7g的粒度范围为90-120μm的碳酸氢 铵粉末在混料器中混合8小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物。

取上述配制的52.5g金属粉末混合物与17.5g的粒度范围为160-190μm的 碳酸氢铵粉末在混料器中混合8小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物。

(4)、然后依次将上述配制的金属粉末与造孔剂的混合物放入模具中，在 55MPa压强下压制成Φ30mm×60mm的坯料。

(5)、随后放入真空烧结炉中以≤20℃/分钟的速度加热至160℃保温1小 时，以≤20℃/分钟的速度加热至830℃保温1.5小时，最后以≤20℃/分钟的速 度加热至1180℃保温8小时，冷却得到多孔梯度Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金。

真空烧结炉(真空度10^-2Pa)。

该合金分为三段，平均孔隙尺寸范围依次分别为50-80μm、120-150μm、 190-220μm呈梯度变化。孔隙度依次分别为10.0％、16.6％、36.6％。