一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法

摘要

本发明公开了一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法，具体包括如下步骤：步骤1，配制浆料；步骤2，将步骤1所得的浆料进行球磨处理；步骤3，对步骤2所得的浆料进行冷冻处理，获得圆柱状复合冻结体Fn；步骤4，将步骤3得到的圆柱状复合冻结体Fn在真空环境下冷冻干燥，使圆柱状复合冻结体Fn中的溶剂结晶体升华，得到多孔坯体；步骤5，将步骤4得到的多孔坯体进行真空烧结，即得无机纤维增强层状钛合金多孔材料。本发明解决了现有方法制备的高孔隙率层状钛合金抗压强度低的问题。

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法。

背景技术

钛及钛合金由于具有低密度，高强度，优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性被广泛应用于生物医用领域。然而，钛合金与骨之间杨氏模量的不匹配对其应用提出了问题。例如TC4钛合金的杨氏模量约为110GPa，远高于骨的杨氏模量(<40GPa)。模量的巨大差异将导致“应力屏蔽”效应，进一步引起骨吸收和植入体松动。由于人体松质骨的孔结构多为层状结构，Torres Y等人发表在《Materials and Design》2014年第63卷316-324页的论文《Designing,processing and characterization of titanium cylinders with gradedporosity:An alternative to stress-shielding solutions》研究表明，将钛及钛合金进行多孔化处理，其产生的孔结构有利于通过降低模量来降低“应力屏蔽”效应。因此，多孔化成为降低钛合金杨氏模量的有效途径。

冷冻干燥是制备高孔隙率层状多孔材料的常用方法，这种方法制备出的孔结构与自然骨的孔结构较为相似。冷冻干燥法的原理为将液体悬浮浆料(水基和非水基)进行冷冻，使浆料中的溶剂转变为特殊形态的“冰晶”，并将固体粉末颗粒排挤到晶间位置，随后在真空下将溶剂从固态升华到气态排出，以去除凝固相溶剂，得到疏松的多孔材料的预制体，最后将预制体进行致密化烧结，从而制备出多孔材料。国内外人员采用冷冻干燥法制备出了高孔隙率层状多孔钛及钛合金，但其强度远低于皮质骨的压缩强度(约200MPa)。已发表的文献：Yan等发表的论文《Pore structures and mechanical properties of poroustitanium scaffolds by bidirectional freeze casting》，选自《Materials Scienceand Engineering C》2017年第75卷335-340页，采用双向冷冻干燥制备了孔隙率为67％的层状多孔钛，压缩强度为58MPa。Weaver等发表的论文《Structure-processingcorrelations and mechanical properties in freeze-cast Ti-6Al-4V with highlyaligned porosity and a lightweight Ti-6Al-4V-PMMA composite with excellentenergy absorption capability》，选自《Acta Materialia》2017年第132卷182-192页，采用冷冻定向冷冻干燥法制备了多孔Ti6Al4V合金，力学性能测试结果表明孔隙率为64％时，准静态压缩强度为83MPa。虽然制备出了高孔隙率的层状多孔钛及钛合金，但其压缩强度均低于皮质骨的强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法，解决了现有方法制备的高孔隙率层状钛合金抗压强度低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法，具体包括如下步骤：

步骤1，配制浆料；

步骤2，将步骤1所得的浆料进行球磨处理；

步骤3，对步骤2所得的浆料进行冷冻处理，获得圆柱状复合冻结体；

步骤4，将步骤3得到的圆柱状复合冻结体在真空环境下冷冻干燥，使圆柱状复合冻结体中的溶剂结晶体升华，得到多孔坯体；

步骤5，将步骤4得到的多孔坯体进行真空烧结，即得无机纤维增强层状钛合金多孔材料。

本发明的特点还在于：

步骤1的具体过程为：

在溶剂中依次加入分散剂和粘结剂，随后加入无机纤维和金属颗粒，混合得到浆料，共配制n≥2组陶瓷浆料，标记为T

步骤1中溶剂为去离子水；

分散剂为聚丙烯酸盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛和柠檬酸中的任意一种；

无机纤维为碳化硅纤维、氧化铝纤维、氧化硅纤维、碳纤维的任意一种。

步骤1中分散剂添加量为2wt.％，粘结剂的添加量为0.2wt.％，无机纤维的添加量为1～10vol.％。

步骤2的具体过程为：

将步骤1中得到的浆料转移至球磨罐中，在滚筒式球磨机中进行球磨处理，得到稳定的混合浆料，球磨机的转速为300r/min，球磨时间为24h-48h。

步骤3的具体过程为：

将步骤2得到的浆料先进行超声处理除去浆料中的气泡，然后再进行冷冻处理，冷冻采用定向冷冻，冷冻采用冷冻模具冷冻，冷冻模具的侧壁为管状保温材料，冷冻模具的底面为导热金属，冷冻方向为垂直于地面向上；

冷冻模具共n≥2组，分别标记为M

本发明的有益效果是，本发明提供的一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法，通过向层状钛合金中引入无机纤维，在保证多孔功能性和不降低多孔钛合金孔隙率的前提下，提高多孔材料的抗压强度，在生物医疗领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法中制备的无机SiC纤维增强层状Ti6Al4V合金的横截面形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供的一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法，具体包括如下步骤：

步骤1，配制浆料；

在溶剂中依次加入分散剂和粘结剂，随后加入无机纤维和金属颗粒，混合得到浆料，共配制n≥2组陶瓷浆料，标记为T

溶剂为去离子水；分散剂为聚丙烯酸盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛和柠檬酸中的任意一种；金属颗粒为Ti6Al4V合金；无机纤维为碳化硅纤维、氧化铝纤维、氧化硅纤维、碳纤维的任意一种；分散剂添加量为2wt.％，粘结剂的添加量为0.2wt.％；多孔材料的整体固含量为20vol.％，无机纤维的添加量为1～10vol.％。

步骤2，球磨；

将步骤1中得到的浆料T

步骤3，冷冻；

将步骤2得到的浆料进行超声处理(30分钟)除去浆料中的气泡，进行冷冻处理，冷冻采用定向冷冻，采用冷冻模具冷冻，冷冻模具的侧壁为管状保温材料，底面为导热金属，冷冻方向为垂直于地面向上。冷冻模具共n≥2组，分别标记为M

步骤4，真空冷冻干燥

将步骤3得到的圆柱状复合冻结体在真空环境下冷冻干燥(冷冻时间根据浆料量的不同而不同，一般是30min至1小时)，使圆柱状复合冻结体F

步骤5，烧结

将步骤4得到的多孔坯体在1200℃真空烧结2小时，即得无机纤维增强层状钛合金多孔材料。炉内真空度应保持1×10

本发明的一种提高高孔隙率层状多孔钛强度的方法，通过向层状钛合金中引入无机纤维，在保证多孔功能性和不降低多孔钛合金孔隙率的前提下，提高多孔材料的抗压强度，解决了目前层状多孔钛在高孔隙率下压缩性能较低的缺点，在生物医疗领域具有广泛的应用前景。

实施例1

本实施例一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法，具体包括如下步骤：

步骤1，配制浆料

将2wt.％的分散剂加入50ML溶剂中，在70℃充分搅拌30min，混合均匀，然后加入0.2wt.％的粘结剂，充分搅拌2h混合均匀，随后加入无机纤维，进行超声分散1h，最后加入金属颗粒，混合得到浆料；溶剂为去离子水；分散剂为聚丙烯酸盐；粘结剂为黄原胶；(金属颗粒)基体为Ti6Al4V合金；无机纤维为碳化硅纤维；多孔材料的整体固含量为20vol.％，无机纤维的添加量为1vol.％。

步骤2，球磨

将步骤1中得到的浆料转移至球磨罐中，在滚筒式球磨机中进行球磨处理，得到稳定的混合浆料。球磨机的转速为300r/min，球磨时间为24h。

步骤3，冷冻

将步骤2得到的浆料进行超声处理除去其中的气泡，进行冷冻处理30分钟，冷冻采用定向冷冻，冷冻温度为-10℃，采用冷冻模具冷冻，冷冻模具的侧壁为管状保温材料，底面为导热金属，冷冻方向为垂直于地面向上。冷冻模具共2组，分别标记为M

步骤4，真空冷冻干燥

将步骤3得到的圆柱状复合冻结体F

步骤5，烧结

将步骤4得到的多孔坯体在1200℃，真空度保持1×10-2Pa以下的真空炉中进行烧结2小时，即得无机纤维增强层状钛合金多孔材料。

本实施例制备得到的无机SiC纤维增强层状钛合金的复合多孔材料的横截面形貌图如图1所示。

实施例2

本实施例一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法，具体包括如下步骤：

步骤1，配制浆料；

将2wt.％的分散剂加入50ML溶剂中，在70℃充分搅拌30min，混合均匀，然后加入0.2wt.％的粘结剂，充分搅拌2h混合均匀，随后加入无机纤维，进行超声分散1h，最后加入金属颗粒，混合得到浆料；溶剂为去离子水；分散剂为聚乙烯醇缩丁醛；粘结剂为黄原胶；(金属颗粒)基体为Ti6Al4V合金；无机纤维为碳化硅纤维；多孔材料的整体固含量为20vol.％，无机纤维的添加量为5vol.％。

步骤2，球磨；

将步骤1中得到的浆料转移至球磨罐中，在滚筒式球磨机中进行球磨处理，得到稳定的混合浆料。球磨机的转速为300r/min，球磨时间为30h。

步骤3，冷冻；

将步骤2得到的浆料进行超声处理出去其中的气泡，进行冷冻处理，冷冻采用定向冷冻，冷冻温度为-10℃，采用冷冻模具冷冻，冷冻模具的侧壁为管状保温材料，底面为导热金属，冷冻方向为垂直于地面向上。冷冻模具共n为3组，分别标记为M

步骤4，真空冷冻干燥

将步骤3得到的圆柱状复合冻结体F

步骤5，烧结

将步骤4得到的多孔坯体在1200℃，真空度保持1×10

实施例3

本实施例一种提高高孔隙率层状多孔钛及钛合金强度的方法，具体包括如下步骤：

步骤1，配制浆料；

将2wt.％的分散剂加入50ML溶剂中，在70℃充分搅拌30min，混合均匀，然后加入0.2wt.％的粘结剂，充分搅拌2h混合均匀，随后加入无机纤维，进行超声分散1h，最后加入金属颗粒，混合得到浆料；溶剂为去离子水；分散剂为聚乙烯吡咯烷酮；粘结剂为黄原胶；(金属颗粒)基体为Ti6Al4V合金；无机纤维为碳化硅纤维；多孔材料的整体固含量为20vol.％，无机纤维的添加量为10vol.％。

步骤2，球磨

将步骤1中得到的浆料转移至球磨罐中，在滚筒式球磨机中进行球磨处理，得到稳定的混合浆料。球磨机的转速为300r/min，球磨时间为48h。

步骤3，冷冻；

将步骤2得到的浆料进行超声处理出去其中的气泡，进行冷冻处理，冷冻采用定向冷冻，冷冻温度为-10℃，采用冷冻模具冷冻，冷冻模具的侧壁为管状保温材料，底面为导热金属，冷冻方向为垂直于地面向上。冷冻模具共n为4组，分别标记为M

步骤4，真空冷冻干燥；

将步骤3得到的圆柱状复合冻结体F

步骤5，烧结；

将步骤4得到的多孔坯体在1200℃，真空度保持1×10