CN102534282A - 多孔Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多孔Ti-Ni基形状记忆合金的改进技术，具体地说是一种高强高孔隙度的多孔Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金及其制备方法。按原子百分比计，合金化学成分如下：Ti：45～50％；Mo：0.1～2.0％，余量为Ni和不可避免的杂质。本发明在多孔NiTi形状记忆合金的基础上，通过加入Mo元素，使得多孔NiTi合金的强度由于Mo原子的固溶作用而增加，从而制备出高强度高孔隙度多孔Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金，其孔隙度可达到65％以上，开孔孔隙达到90％以上。室温奥氏体压缩屈服强度可达到80MPa以上，压缩应变可达到30％。本发明的高强度高孔隙度的多孔记忆合金主要制作硬骨组织替代，应用于人体环境当中，或者作为减振合金使用。

Description

多孔Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金及其制备方法

技术领域：

本发明涉及多孔Ti-Ni基形状记忆合金的改进技术，具体地说是一种高强高孔隙度的多孔Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金及其制备方法。

背景技术：

多孔Ti-Ni形状记忆合金的发展一直都致力于满足生物医用的需求。最近人们对多孔Ti-Ni合金的关注逐渐从生物相容性扩展到其它性能上来，例如可以利用其减震性能制备成减震合金，利用其孔隙特性制备成梯度材料等等。这些由多孔Ti-Ni合金制备的材料将来极有可能在航空、航天等领域发挥巨大的作用。然而，所有的这些设想都还处于实验研究阶段，与实际应用还有一段距离，其中最大的阻碍就是多孔Ti-Ni合金的力学性能相对较低，稳定性较差。当该合金应用到上述领域时，现有的力学性能就无法满足实际的需要。此外，虽然通过燃烧合成直接制备的多孔Ti-Ni合金可以满足一般的人体植入需要，但是在替代某些承载的受力骨时仍无法满足要求。因此，在保证孔隙度的条件下，提高多孔Ti-Ni合金的性能成为实现多孔Ti-Ni合金更为广泛应用的关键性问题。

近些年来，研究人员在不断的尝试各种手段来改善多孔Ti-Ni合金的性能。例如，选用不同的制备工艺，选取不同粒度的元素粉末以及对多孔合金进行各种热处理等。但这些方法都有一定的限制，最终的效果都不甚理想。即使当中某些途径能够使力学性能有所提高，也是以牺牲孔隙度为代价的。实际上，第三元素的添加一直是改善合金性能的一个有效途径。多孔Ti-Ni合金从开始出现到发展至今一直是以二元系合金为主，而对于三元多孔合金报道很少。在Ti-Ni合金中加入第三元素的例子很多，比如加入Nb成为宽滞后的Ti-Ni-Nb形状记忆合金，加入Hf成为Ti-Ni-Hf高温形状记忆合金等。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高强高孔隙度的多孔Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金及其制备方法，通过调整合金成分，在保持较高孔隙度的前据下，提高多孔Ti-Ni合金的压缩强度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种高强高孔隙度的Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金，按原子百分比计，合金化学成分如下：

Ti：45～50％；Mo：0.1～2.0％；余量为Ni。

所述的Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金，其最佳的Mo含量按原子百分比计在0.5～1.0％左右。

所述的Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金，主要作为硬骨组织替代，应用于人体环境当中；或者，作为减振合金使用。

所述的高强高孔隙度的Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金，其制备过程包括如下步骤：

1)利用混料器按比例将Ti粉、Ni粉和Mo粉进行充分混合；

2)将混合均匀的粉末压制成坯体；

3)将坯体在300℃～450℃的温度区间内进行预热；

4)利用钨丝弧光放电对坯体的一端进行点火，利用粉末自身反应放热使粉末反应向坯体的另一端进行，直至反应结束；

5)燃烧结束后，迅速水冷。

本发明在多孔Ti-Ni形状记忆合金的基础上，通过加入Mo元素，使得多孔合金在保持较高孔隙度的前提下，因Mo原子的固溶作用而强度增加，从而制备出高强度Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金。尤为特殊的是Mo的加入，致密态Ti-Ni-Mo合金是一种具有非常广阔应用前景的生物医用材料。已有的研究结果表明，这种合金具有较高的力学性能和生物耐蚀性。因此，利用的Mo的加入提高多孔Ti-Ni合金的方案切实可行。

本发明的优点在于：

1、本发明在多孔NiTi形状记忆合金的基础上，通过加入Mo元素，使得多孔NiTi合金的强度由于Mo原子的固溶作用而增加，从而制备出高强度高孔隙度多孔Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金。本发明保持了多孔Ti-Ni合金的高孔隙度，孔隙度可达到65％以上，开孔孔隙度达到90％以上。

2、本发明提高了多孔Ti-Ni合金的力学性能，其室温压缩屈服强度可达到80MPa以上，压缩应变可达到30％。

3、本发明由于Mo的加入，增加了合金的耐蚀性和生物相容性，使之更适合作为人体植入材料。

附图说明：

图1为高孔隙度的多孔Ti-Ni-Mo合金的制备流程图。

图2(a)-(d)为不同Mo含量的多孔Ti-Ni-Mo合金的孔隙形貌1000×；其中，图2(a)Mo含量0.1at.％；图2(b)Mo含量0.7at.％；图2(c)Mo含量1.0at.％；图2(d)Mo含量1.2at.％。

图3为不同Mo含量的多孔Ti-Ni-Mo合金在室温压缩曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明多孔Ti-Ni-Mo的制备工艺流程如下：

1)将Ti粉(80～100μm)、Ni粉(3～5μm)和Mo粉(约30μm)按照表1的化学计量比放入混料器中进行48h的旋转混料，使其充分均匀混合。为避免污染，容器内不加磨球。

2)将混合均匀的混合粉放入真空容器中进行干燥处理，减少粉末表面吸附的气体。干燥温度约为95℃±10℃，时间为5h±30min。

3)将干燥后的混合粉末在模具中进行压制成型，形成坯料。尺寸一般为

所得坯料的孔隙度约为55％。

4)将管式炉升温至520℃±10℃，并使其温度场保持均匀。将成型后的坯料放入管式炉中，利用热电偶测量坯料的温度，同时用流动的Ar气进行气氛保护，Ar气流量约为10ml/min。

5)当坯料温度达到预期的预热温度(300℃～450℃)时，利用钨丝的辉光放热，点燃型坯的一端，由于持续的放热反应燃烧波将沿着坯料向另一端蔓延，形成孔隙均匀的多孔Ti-Ni合金。

6)合成后的多孔Ti-Ni-Mo合金迅速放入水中，进行淬火处理。

7)将淬火后的成品从模具中取出，完成制备过程。

表1多孔Ti-Ni-Mo合金的化学成分及其孔隙度

	Mo	Ni	Ti	孔隙度
					1	0	49.0	余量	65.0％
2	0.7	48.3	余量	65.5％
					3	1.0	48.0	余量	66.0％
4	1.2	47.8	余量	68.0％

经过燃烧合成后，多孔合金的孔隙形貌见图2(a)-(d)，从图中可以看出，随着Mo含量的增加，多孔合金的孔隙直径逐渐增大，孔隙度也由0.1at％Mo的65％增加到1.2at％Mo的68％左右，见表1。同时，四种合金的开孔孔隙度也都在90％以上。

图3为不同Mo含量的多孔Ti-Ni-Mo三元合金的压缩应力应变曲线。从图中可以看出，四条曲线几乎呈现相同的变化规律。从开始的线弹性阶段，然后发生塑性变形，伴随着孔隙的坍塌，最后出现一个较宽的应力平台。通过四条曲线的对比可以看出，少量的Mo的添加增加了合金的压缩应力和压缩应变。但随着Mo含量的进一步增加，合金的压缩应力急剧下降，压缩应变呈现下降的趋势。最佳的Mo含量在0.5～1.0at％之间。

Claims (5)

1.一种多孔Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金，其特征在于，按原子百分比计，合金化学成分如下：

Ti：45～50％；Mo：0.1～2.0％；余量为Ni。

2.按照权利要求1所述的多孔Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金，其特征在于：按原子百分比计，Mo含量优选为0.5～1.0％。

3.按照权利要求1或2所述的多孔Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金，其特征在于：该记忆合金的孔隙度达到60％以上，开孔孔隙度达到90％以上。

4.按照权利要求1或2所述的多孔Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金，其特征在于：该记忆合金的室温压缩屈服强度达到80MPa以上，压缩应变达到30％。

5.按照权利要求1所述的多孔Ti-Ni-Mo三元形状记忆合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用混料器按比例将Ti粉、Ni粉和Mo粉进行充分混合；

2)将混合均匀的粉末压制成坯体；

3)将坯体在300℃～450℃的温度区间内进行预热；

4)利用钨丝弧光放电对坯体的一端进行点火，利用粉末自身反应放热使粉末反应向坯体的另一端进行，直至反应结束；

5)燃烧结束后，迅速水冷。

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