CN107876775B - 一种结构可控多孔Ti的低损伤加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构可控多孔Ti的低损伤加工方法，包括如下步骤：将珠糖球至于置于钢制磨具中，震实后，加入适量钛粉，然后将钢制顶杆压在钛粉上方，通过震动将钛粉填充在珠糖球之间的缝隙中；将震实的珠糖球和钛粉混合物在500‑700MPa下压制成素坯，取出；按需求对素坯进行机械加工后，将素坯在小于70℃的水和乙醇混合溶液中进行溶解，直至将糖球全部溶解浸出，形成多孔Ti素坯；将所得的多孔Ti素坯自然风干或80℃下烘干后，在氩气保护下，于1250‑1400℃烧结2‑4小时，即得孔结构可控、无损伤多孔Ti构件。本发明可实现多孔钛的力学性能可控，并有效保护空隙结构，实现多孔钛的低损伤或无损伤加工制备。

Description

一种结构可控多孔Ti的低损伤加工方法
技术领域
本发明涉及材料加工领域，具体涉及一种结构可控多孔Ti的低损伤加工方法。
背景技术
目前的植入体所用钛及其合金材料，与自然骨骼相比其弹性模量仍然较高，从而使致密钛材作为人体植入材料存在以下问题：与骨组织接触界面的稳固性、生物力学性能如弹性模量的相匹配性等。由于植入体的杨氏模量与骨组织的不匹配产生的应力屏蔽效应，最终导致周围骨无菌疏松。大量临床试验表明，由于受被植入体的年龄和性别差异的影响，使假体在不同生物学环境中都发生了不同程度的松动和磨蚀从而引发不良细胞反应，使人工髓等植入体只有10-15年的寿命，不能满足生物力学性能和长期使用的要求。
多孔钛具有密度小、比强度高、耐蚀性和良好的生物相容性等优异性能，特别是通过引入结构可控的孔结构实现具备可控力学性能的多孔钛金属材料，使其有利于骨组织长入其多孔结构并形成生物整合，从根本上解决骨组织与植入体接触界面的稳固性及力学性能不匹配导致的应力屏蔽等问题。但是多孔钛机械加工过程中难以避免会存在碎屑残留问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明在实现结构可控多孔Ti制备的同时，也提供了一种低损伤、无碎屑残留的加工方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种结构可控多孔Ti的低损伤加工方法，包括如下步骤：
S1、将珠糖球至于置于钢制磨具中，震实后，加入适量钛粉，然后将钢制顶杆压在钛粉上方，通过震动将钛粉填充在珠糖球之间的缝隙中；
S2、将震实的珠糖球和钛粉混合物在500-700MPa下压制成素坯，取出；
S3、按需求对素坯进行机械加工，如钻孔、切割、磨削等；
S4、将加工好的的素坯在小于70℃的水和乙醇混合溶液中进行溶解，直至将糖球全部溶解浸出，形成多孔Ti素坯；
S5、将所得的多孔Ti素坯自然风干或80℃下烘干后，在氩气保护下，于1250-1400℃烧结2-4小时，即得孔结构可控、无损伤多孔Ti构件。
本发明具有以下有益效果：
(1)采用市场可购得的糖球作造孔剂，用粉末冶金法将造孔剂和金属粉末冷压成形制成生坯，珠球状造孔剂结构规整，有利于形成形状较好的孔洞，有利于孔隙率和多孔结构的控制，进而可实现多孔钛的力学性能可控；
(2)对含有造孔剂的冷压素坯进行机械加工，可以有效保护空隙结构，实现多孔钛的低损伤或无损伤加工制备；
(3)将含有造孔剂的冷压素坯在小于70℃的水和乙醇混合溶液中进行溶解，既能提高造孔剂在水中的溶解速度，也能降低生坯在热水中膨胀而导致的生坯开裂问题，而且水温低于乙醇沸点，可保证乙醇较缓慢的挥发(乙醇的沸点是74.8℃)。
(4)所制备多孔Ti具有典型的多孔材料力学特征，弹性模量月1100MPa，屈服强度约为20MPa，压缩变形为实体材料前有较大的屈服变形。
附图说明
图1为糖球-钛粉混合素坯制备过程示意图。
图2为不同比例的Ti粉震动过程(h3-h2)随震动次数变化曲线。
图3为本发明实施例中烧结后的多孔Ti的微观形貌图。
图4为本发明实施例中泡沫钛的压缩应力-位移变化曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中所使用的Ti粉采用粒度为300目的商品纯钛粉，纯度为99.9％；珠糖球为经8-20目筛分的粒径为1-1.5mm的珠糖球。
实施例
一种结构可控多孔Ti的低损伤加工方法，包括如下步骤：
S1、将珠糖球至于置于钢制磨具中，震实后，按珠糖球与钛粉的重量比为4∶4-4.6的比例加入适量钛粉，然后将钢制顶杆压在钛粉上方，通过震动将钛粉填充在珠糖球之间的缝隙中；
S2、将震实的珠糖球和钛粉混合物在500-700MPa下压制成素坯，取出；
S3、按需求对素坯进行机械加工，如钻孔、切割、磨削等；
S4、将加工好的的素坯在小于70℃的水和乙醇混合溶液中进行溶解，直至将糖球全部溶解浸出，形成多孔Ti素坯；
S5、将所得的多孔Ti素坯自然风干或80℃下烘干后，在氩气保护下，于1250-1400℃烧结2-4小时，即得孔结构可控、无损伤多孔Ti构件，经观察可见，所得的冷压成型的糖球-钛粉混合素坯具有较好的形状保持能力，由于糖球未除去，因此材料内部不会有碎屑残留。
如图1所示，先将一定量珠糖球放入钢制模具中，其高度可通过测量图1中(h2-h1)得出；然后按一定重量比的Ti粉装入模具中，震动过程中不断记录(h3-h2)的值，直至其不在明显变化。图2为不同比例的Ti粉震动过程(h3-h2)随震动次数变化曲线，以此可以找出珠糖球和钛粉的最佳重量比。
从冷压糖球-钛粉混合素坯机械加工(钻孔)试样照片中，可以看到，经冷压成型的糖球-钛粉混合素坯具有较好的形状保持能力，由于糖球未除去，因此材料内部不会有碎屑残留。图3为烧结后的多孔Ti试样的微观形貌图，可以看到多孔钛中的孔胞约为1-1.5mm，每个孔胞均有数个50～200微米的小孔相联通，这该尺寸范围的联通孔有利于骨组织及血管生长，从而有利于植入后整合组织的形成。
图4为多孔钛试样压缩强度-位移曲线，可以看到所制备多孔Ti具有典型的多孔材料力学特征。在压缩过程中，首先经历弹性变形发生屈服，所制备的多孔Ti弹性模量约为1100MPa，屈服强度约为20MPa，可与人体骨力学性能较好匹配。屈服之后表现出较大的塑形变形，后期多孔结构全部遭到破坏后，变为实体材料，变形抗力显著增加。
综上所述，本具体实施采用市场可购得的糖球作造孔剂，用粉末冶金法将造孔剂和金属粉末冷压成形制成生坯，珠球状造孔剂结构规整，有利于形成形状较好的孔洞，有利于孔隙率和多孔结构的控制，进而可实现多孔钛的力学性能可控；可以有效保护空隙结构，实现多孔钛的低损伤或无损伤加工制备。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种结构可控多孔Ti的低损伤加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将珠糖球置于钢制磨具中，震实后，加入适量钛粉，然后将钢制顶杆压在钛粉上方，通过震动将钛粉填充在珠糖球之间的缝隙中；珠糖球与钛粉的重量比为4∶4-4.6；
S2、将震实的珠糖球和钛粉混合物在500-700MPa下压制成素坯，取出；
S3、按需求对素坯进行机械加工；
S4、将加工好的素坯在小于70℃的水和乙醇混合溶液中进行溶解，直至将糖球全部溶解浸出，形成多孔Ti素坯；
S5、将所得的多孔Ti素坯自然风干或80℃下烘干后，在氩气保护下，于1250-1400℃烧结2-4小时，即得孔结构可控、无损伤多孔Ti构件。
2.如权利要求1所述的一种结构可控多孔Ti的低损伤加工方法，其特征在于，所述珠糖球为经8-20目筛分的粒径为1-1.5mm的珠糖球。
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