CN100389915C - 一种高孔隙度镍钛基形状记忆合金的凝胶注模成型方法 - Google Patents

一种高孔隙度镍钛基形状记忆合金的凝胶注模成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高孔隙度镍钛基形状记忆合金的凝胶注模成型方法，属于粉末冶金成型技术领域。是将丙烯酰胺有机单体及N，N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂溶入溶剂配制成一定浓度的预混液，镍粉、钛粉悬浮于其中制成低粘度、高固相含量的浓悬浮体，加入引发剂及催化剂之后，将这种浓悬浮体浆料注入非多孔模具中，在一定的温度条件下，有机聚合物单体交联聚合成三维网络状聚合物凝胶，并使粉末颗粒原位粘结而固化形成坯体。优点在于可获得高孔隙度、高开孔率、孔洞宏观分布均匀的镍钛形状记忆合金；不需复杂设备及模具、不需专门脱脂工序；低成本、高效率生产；坯体强度达30MPa以上，可以进行机械加工；坯体经烧结后可获得与骨骼组织相匹配力学性能的镍钛形状记忆合金。

Description

一种高孔隙度镍钛基形状记忆合金的凝胶注模成型方法
技术领域
本发明属于粉末冶金成型技术领域，特别是提供了一种高孔隙度镍钛基形状记忆合金的凝胶注模成型方法。
背景技术
镍钛形状记忆合金具有强度高、比重低、耐疲劳、耐腐蚀、耐磨损、低磁性、无毒、弹性模量与人骨相近等优点；同时，镍钛合金还具有优良的生物相容性，尤其多孔镍钛合金易于被人体组织固定，是较理想的生物医学植入材料，在医用领域具有广阔的应用前景。
但是，实现高孔隙度镍钛合金的制备比较困难。传统的粉末冶金成型技术难以获得复杂形状制件，并且孔隙度较低；自蔓延高温合成技术制备的镍钛合金孔隙度可达60％，但是孔洞宏观分布均匀性较差。
凝胶注模成型(gelcasting)由美国橡树岭国家实验室M.A.Janney教授等人于20世纪90年代初发明，是近年倍受关注的一种复杂形状陶瓷或金属部件近净尺寸成型方法。其优点是易成型复杂形状，成型坯体密度均匀、强度高、不需专门的脱脂工序、不需专门的脱脂工序、可生产大尺寸制品并且制品孔隙度及孔径可控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高孔隙度镍钛基形状记忆合金的凝胶注模成型方法，采用凝胶注模成型工艺实现高孔隙度、高开孔率、孔洞宏观分布均匀性良好的复杂形状大件粉末冶金镍钛形状记忆合金坯体的生产。
本发明是将丙烯酰胺有机单体及N，N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂溶入溶剂配制成一定浓度的预混液，镍粉、钛粉悬浮于其中制成低粘度、高固相含量的浓悬浮体，加入引发剂及催化剂之后，将这种浓悬浮体浆料注入非多孔模具中，在一定的温度条件下，有机聚合物单体交联聚合成三维网络状聚合物凝胶，并使粉末颗粒原位粘结而固化形成坯体。具体工艺如下：
1)将镍粉、钛粉混合，其中钛粉为混合物的40～60原子％，球磨2～36小时使其混合均匀；
2)将丙烯酰胺及N，N-亚甲基双丙烯酰胺以质量比(2～200)∶1混合，将该混合物溶于水制成1～50质量％均一稳定的溶液；
3)将上述溶液与镍钛混合粉料及分散剂混合，其中粉料为所得混合物的10～50体积％；使用的分散剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一种，分散剂用量占金属粉料质量的0.02～1.0％；
4)将第三步骤所得混合料球磨8～48小时；
5)上述浆料室温真空除泡10～30分钟；
6)将浆料注入模具中，模具材料为非孔材料玻璃或金属、橡胶、塑料等；之后加热模具至40～80℃，约30～120分钟后脱模，室温真空干燥48～72小时，可得到镍钛坯体。
本发明技术与传统多孔镍钛形状记忆合金成型技术相比，主要优点如下：
1)所配制浓悬浮体成分均匀且固相含量可调；坯体经干燥后，原来水分存在的位置成为固有的孔隙，因此坯体经烧结后可获得高孔隙度、高开孔率、孔洞宏观分布均匀的镍钛形状记忆合金；
2)不需复杂设备及模具、不需专门脱脂工序，可实现复杂形状镍钛形状记忆合金的低成本、高效率生产；
3)坯体强度达30MPa以上，可以进行机械加工；
4)坯体经烧结后可获得与骨骼组织相匹配力学性能的镍钛形状记忆合金。
具体实施方式
实施例1
以10～100μm镍粉和10～100μm钛粉为原料，按照镍、钛原子比1∶1(质量比55.07∶44.93)球磨10小时混合均匀；将15克丙烯酰胺、1克N，N-亚甲基双丙烯酰胺溶于100毫升水中，加入670克镍钛混合粉料和5克聚丙烯酸分散剂，球磨48小时后真空除泡30分钟，获得固相体积分数50％的浆料，注入金属模具后将模具移入80℃恒温箱中保温120分钟，脱模后真空干燥72小时，可得到凝胶注模成型镍钛形状记忆合金零件坯体；坯体经烧结后得到镍钛形状记忆合金零件。
由这种工艺制备的凝胶注模成型镍钛形状记忆合金零件孔隙度为40.7％，开孔率为91.5％。
实施例2
以10～100μm镍粉和10～100μm钛粉为原料，按照镍、钛原子比1∶1(质量比55.07∶44.93)球磨18小时混合均匀；将20克丙烯酰胺、6克N，N-亚甲基双丙烯酰胺溶入100毫升水中制成溶液，加入450克镍钛混合粉料和10克聚丙烯酰胺分散剂，球磨24小时后真空除泡20分钟，制得固相体积分数为40％的浆料。将所得浆料注入玻璃模具，在60℃保温120分钟，模具内浆料固化为坯体，脱模后真空干燥48小时，可得到凝胶注模成型镍钛形状记忆合金零件坯体；坯体经烧结后得到镍钛形状记忆合金零件。
由这种工艺制备的凝胶注模成型镍钛形状记忆合金零件孔隙度为53.9％，开孔率为91.1％。

Claims (3)

1.一种高孔隙度镍钛基形状记忆合金的凝胶注模成型方法，其特征在于：
a、将镍粉、钛粉混合，其中钛粉为混合物的40～60原子％；球磨2～36小时使其均匀混合制得镍钛混合粉料；
b、将丙烯酰胺及N，N-亚甲基双丙烯酰胺以质量比为2～200∶1混合，将该混合物溶于水制成1～50质量％均一稳定的溶液；
c、将上述溶液与镍钛混合粉料及分散剂混合制得混合料，其中镍钛混合粉料为所得混合物的10～50体积％；使用的分散剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺中的任何一种，分散剂用量占金属粉料质量的0.02～1.0％；
d、将第c步骤所得混合料球磨8～48小时制得浆料；
e、将d步骤的浆料室温真空除泡10～30分钟；
将浆料注入模具中，加热模具至40～80℃，30～120分钟后脱模，室温真空干燥48～72小时，得到镍钛坯体。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的模具材料为非孔材料。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的非孔材料为玻璃、金属、橡胶或塑料。
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