CN101353738B

CN101353738B - 一种孔隙率可控的多孔钛制备方法

Info

Publication number: CN101353738B
Application number: CN2008100703904A
Authority: CN
Inventors: 邱贵宝; 牛文娟; 白晨光; 吕学伟; 陈登福; 温良英; 董凌燕
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: CN101353738A

Abstract

本发明提供一种孔隙率可控的多孔钛制备方法，包含以下步骤：将钛粉与添加量为1.wt％～4.wt％的粘结剂充分混合；以尿素颗粒为造孔剂，将造孔剂加入所述混合物中；所述造孔剂与混合物的体积分数之比为30～80％：70～20％，充分混合均匀；然后，将得到的混合物在压力为100MPa～250MPa下，进行粉末单向压制成坯；再将所得到的压坯在真空度保持在10^-2～10^-3Pa的真空炉中进行热处理，即制得多孔金属构件。本发明根据加入尿素量的多少，可确定孔隙率：根据尿素颗粒的大小200μm～2mm和形状即可确定孔尺寸和孔形状，实现多孔钛的孔隙率、孔尺寸和孔形状均可控的目的；还具有工艺简单，设备要求低，操作方便和成本低的优点。

Description

一种孔隙率可控的多孔钛制备方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金成型技术，尤其是一种多孔钛及其合金的孔隙率、孔尺寸可控的多孔钛及其合金的制备方法。

背景技术

我国有着储量第一的钛资源，如何有效的发挥这一资源优势，开发高附加值的含钛新材料，成为近年来研究关注的焦点。钛及钛合金具有低密度、高比强度、较宽的工作温度范围、良好的耐腐蚀性和生物相容性等优异性能。多孔材料是当前材料界的一种新型的结构与功能材料，在很多领域都得到了应用。多孔泡沫钛及其合金融合了钛合金与泡沫金属的特性，能够减轻材料的重量而不削弱其强度，同时还有较高的韧性和耐腐蚀性。因此，泡沫钛及其合金具有广阔的应用前景，例如，多孔钛可作为夹层结构、热交换层、触酶金属层和生物植入材料等。

目前钛基多孔材料的制备，主要是采用粉末冶金原理制备。现有技术中，比较常见的方法包括粉末直接烧结法，空心球烧结法和气体卷入技术，但是这些方法都存在一些固有的弊端，例如，粉末直接烧结对原料粉末的依赖性很大，孔的尺寸和形状均无法控制；空心球烧结可制备开孔和闭孔的混合结构，但成本很高；气体卷入技术工艺复杂、成本高，且孔隙率较低等问题。此外，多孔材料的结构是影响其性能最重要的因素，实际多孔材料的结构可用孔隙率、孔尺寸、孔形状和孔的排列等特征进行描述，其中最重要的结构参数为孔隙率，已有很多资料证明了孔隙率与强度、杨式模量之间符合Gibson-Ashby模型。由于工艺与结构对最终材料的性能有至关重要的影响，因此，开发一种工艺简单、孔隙率和孔尺寸均可控的制备钛基多孔金属的方法成为目前的焦点。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种工艺简单，成本较低，而且孔隙率、孔尺寸和孔形状均可控的生产多孔钛及其合金的方法。

本发明的目的是这样实现的：一种孔隙率可控的多孔钛制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)将钛粉或钛合金粉与添加量为1.wt％～4.wt％的粘结剂充分混合；

(2)以尿素颗粒为造孔剂，将造孔剂加入步骤(1)得到的混合物中，所述造孔剂与混合物的体积分数之比为30～80％：70～20％，总量为100％；并充分混合均匀；

(3)然后，将步骤(2)得到的混合物在压力为100MPa～250MPa下，进行粉末单向压制成坯；

(4)再将所得到的压坯在真空度为10^-2～10^-3Pa的真空炉中进行热处理，即制得多孔金属构件。

所述粘结剂为聚乙二醇200、无水乙醇或甲苯。

所述尿素颗粒的直径为200μm～2mm。

所述钛粉为纯钛或钛合金粉，其粒度为200～325目。

本发明的优点和有益效果是：

(1)本发明工艺简单，设备要求低，操作方便；

(2)本发明根据加入尿素量的多少，可确定孔隙率：即根据钛粉或合金粉末与尿素的体积分数之比，孔隙率可在30～80％的较大范围内进行调整；根据尿素颗粒的大小200μm～2mm和形状即可确定孔尺寸和孔形状，实现多孔钛的孔隙率、孔尺寸和孔形状均可控的目的；

(3)采用尿素为造孔剂，具有原料成本较低的优点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明涉及一种多孔钛(及其合金)的制备方法，以粉末冶金工艺为基础，原料为高纯钛粉或合金粉末，颗粒尿素为造孔剂，具体实施步骤如下：

(2)以尿素颗粒为造孔剂，将造孔剂加入步骤(1)得到的混合物中，所述造孔剂与混合物的体积分数之比为30～80％：70～20％，总量为100％；并在V型混料机中混合1～2h；

(3)然后，将步骤(2)得到的混合物在压力为100MPa～250MPa下，在模具中进行粉末单向压制成坯；

(4)再将所得到的压坯在真空度保持在10^-2～10^-3Pa的真空炉中进行热处理，即制得多孔金属构件。

在本发明方法中，由于实验用尿素的粒径大于2mm超过了80％，为了使尿素具有合适的粒度范围，采用将尿素在一定的溶剂中溶解然后对其进行干燥的方法，对尿素的粒径进行处理。尿素溶于水和醇类物质，在水中的溶解速度很快，在醇类中溶解较慢，为了控制溶解速度并尽可能提高效率，选用水与无水乙醇的混合溶液，水与无水乙醇的体积比为1：5～15，尿素颗粒与混合溶液的体积比1：5～10。大约需要2～10min就可以使尿素颗粒溶解到1mm左右。

另外，采用研磨方法将金属粉末或合金粉与粘结剂充分混合效果更佳，所述粘结剂为聚乙二醇200、无水乙醇或甲苯(均为分析纯)均可，添加量为1.wt％～4.wt％。

所述步骤(4)的热处理工艺，需在真空炉中进行，真空度保持在10^-2～10^-3Pa。包括去除尿素和粉末烧结两个过程；所述去除尿素时，加热温度需控制在200℃～450℃，加热时间为4～6h；尿素的去除过程即尿素的分解过程，由差热分析的结果可知，尿素的分解温度为200℃～450℃左右，因此在这个温度范围内对试样进行缓慢加热，以免出现裂纹或坍塌而破坏试样。粉末烧结温度一般为主要成分熔点(T_m)的0.75倍，对于钛而言T_m为1670℃，为了提高效率和改善烧结坯的质量，可以适当提高烧结温度，因此烧结温度取1250℃～1300℃，烧结3～5h。

具体实施例：

实例1：原料钛粉(200～325目)和尿素(20～24目)按70％孔隙率配比：即原料钛粉和尿素的体积分数之比为30％：70％；粘结剂含量为原料钛粉的2.0wt％，原料钛粉加入粘结剂后与尿素混合1h，在200MPa下单向压制(模具中)，再在1280℃下烧结3h，得到实际孔隙率为65％，孔尺寸约为800μm，强度为24.7MPa的多孔钛。

实例2：原料钛合金粉(Ti6A14V合金粉，200～325目)和尿素(60～80目)按40％孔隙率配比：即原料钛合金粉和尿素的体积分数之比为60％：40％；粘结剂含量为原料钛合金粉的3.0wt％，原料钛合金粉加入粘结剂后与尿素混合1.5h，在150MPa下单向压制(模具中)，再在1300℃下烧结4h，得到实际孔隙率为38％，孔尺寸为200μm，强度为85.1MPa的多孔钛合金。

本发明的创新在于根据钛粉或合金粉末与尿素的体积分数之比，孔隙率可在30～80％的较大范围内进行调整；根据尿素颗粒大小200μm～2mm和形状即可确定孔尺寸和孔形状，实现多孔钛的孔隙率、孔尺寸和孔形状均可控的目的。并不限于所述实施方式的各种原料的比例，如在总量为100％的前提下，造孔剂与混合物的体积比可为30～80％：70～20％中的任何数值，压制成坯和热处理的条件可根据具体情况进行调整。

Claims

1.一种孔隙率可控的多孔钛制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)将钛粉与添加量为钛粉1.wt％～4.wt％的粘结剂充分混合；

(2)以尿素颗粒为造孔剂，将造孔剂加入步骤(1)得到的混合物中，所述造孔剂与混合物的体积分数之比为30～80％∶70～20％，总量为100％，并充分混合均匀；

(4)再将所得到的压坯在真空度保持在10^-2～10^-3Pa的真空炉中进行热处理，即制得多孔金属构件；

所述粘结剂为聚乙二醇200、无水乙醇或甲苯；

所述尿素颗粒的直径为200μm～2mm；

所述钛粉为纯钛或钛合金粉，其细度为200～325目；

所述步骤(4)的热处理包括去除尿素和粉末烧结两个过程；所述去除尿素时，加热温度需控制在200℃～450℃，加热时间为4～6h；所述粉末烧结过程中，粉末烧结温度为1250℃～1300℃，烧结时间为3～5h。

2.根据权利要求1所述孔隙率可控的多孔钛制备方法，其特征在于，所述尿素颗粒采取用1∶5～15的水和无水乙醇的混合溶液中溶解，尿素颗粒与所述混合溶液体积比为1∶5～10；控制尿素颗粒的溶解时间在2～10min，使尿素颗粒溶解逐渐变小，再过滤和干燥。