CN108359828B - 一种有序多孔tc4合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种有序多孔TC4合金的制备方法，将TiH2粉末、Al‑V合金粉末按TC4合金标准成分比例混合得到混合粉末，加入模板剂丙酮溶液，进行高能球磨，然后进行真空热压烧结，最终得到有序多孔TC4合金；本发明加入模板剂及TiH2粉末可以在烧结过程中形成有序多孔，脱氢过程中，TiH2释放出的氢可以有效清洁合金内部孔隙及合金表面，不仅保证了生产产品的优良性能，而且有效缩短了产品的生产流程，合理改造优化了钛合金的孔隙形貌。

Description

一种有序多孔TC4合金的制备方法
技术领域
本发明属于有序多孔钛合金技术领域，具体涉及利用BHPA、TiH2真空热压烧结制备有序多孔TC4合金的方法。
背景技术
TC4合金即Ti-6Al-4V合金是一种具有密度低、比强度高、良好的耐热耐腐蚀性、生物相容性及良好的综合力学性能的α+β两相型钛合金，TC4作为（α+β）两相钛合金中使用最广泛的一种，在1954年由美国Ⅱlinois技术所率先研制成功，其应用率占钛合金总产量的50%，占全部钛合金加工件的95%，已成为世界各国通用的钛合金，其多孔产品已作为生物材料使用，为保证新骨细胞组织在内生长及体液的良好传输，因此要求制造出的合金不仅具有多孔特性且合金中孔隙均匀连通。目前，多孔TC4合金主要的生产方法为纯钛粉末添加合金粉末和造孔剂，之后采用粉末冶金法进行生产，但该方法存在中使用的纯钛粉末多采用熔铸法进行生产，该方法存在熔炼成本高、成材率低的缺点，无形中增加了钛合金的生产成本；另外，造孔剂的加入虽然出现了孔隙，但大多孔隙过小且部分不连通。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决使用造孔剂（碳酸氢铵、硬脂酸锌或聚乙烯醇）制备多孔TC4合金的传统生产方法中存在的孔洞过小，生物医用时孔洞不连通，孔洞无序，体液无法运行等突出问题。
本发明的技术思路是：利用TiH2的高温脱氢特性，添加一定量的模板剂，结合粉末冶金方法，直接烧结得到有序多孔TC4合金，缩短工艺流程，得到有序且连通的纳米级孔洞。
本发明解决问题所采用的技术方案是：将TiH2粉末、Al-V合金粉末按TC4合金标准成分比例混合得到混合粉末，加入模板剂丙酮溶液，进行高能球磨，然后进行真空热压烧结，最终得到有序多孔TC4合金。
所述TiH2粉末和Al-V合金粉末粒度为325目~400目。
所述模板剂丙酮溶液是将BHPA（2,2-二羟甲基丙酸）按质量比1:7的比例溶于丙酮得到。
所述模板剂为BHPA（2,2-二羟甲基丙酸）。
所述模板剂丙酮溶液加入量为混合粉末质量的5%~15%。
所述高能球磨选用行星式高能球磨机，球料体积比为3:1，球磨转速设置为50r/min ~160r/min，球磨时间60min ~120min。
所述真空热压烧结的具体工艺为：真空度10-4Pa～10-2Pa下，采用真空热压烧结炉、热压模具，在50℃～250℃时进行炉内热压处理，压制压力为5MPa~15MPa，保压5min～15min，1000℃～1300℃烧结60min～90min，且升温过程中在200℃～400℃设置较慢升温速率不大于8℃/min，确保造孔剂完全挥发，烧结过程持续抽真空。
本发明是使用有机小分子模板法结合粉末冶金法，以金属氢化物TiH2粉末为原料，利用TiH2的高温脱氢特性，缩短生产多孔TC4合金的生产流程，在真空烧结升温过程中，体系中的模板剂受热分解，同时随着温度不断升高，体系中氢气不断逸出，使得体系微观结构发生演变，在升温的同时，模板剂作用、金属氢化物的脱氢过程以及合金的形成过程同时进行，使得最终通过直接烧结添加有一定量模板剂的TiH2及合金粉末组成的混合粉末坯体得到有序多孔TC4合金产品，通过阿基米德排水法测试得到合金产品的孔隙率为45%~65%，连通孔洞直径为3-4μm；利用XRD、SEM测试得到所得产品为α+β型有序多孔TC4合金，证明了利用该工艺生产多孔TC4合金的可行性，该方法是生产有序多孔TC4合金的先进方法。
本发明以发泡剂TiH2粉末为原料，加入不同合金粉末及一定量的模板剂，直接进行有序多孔钛合金的生产，在烧结升温中使成孔过程、TiH2的脱氢过程以及合金的形成过程同时进行，不仅保证了生产产品的优良性能，而且有效缩短了产品的生产流程，合理改造优化了钛合金的孔隙形貌。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明实施例1得到的TC4合金的XRD图；
图3为本发明实施例1得到的TC4合金的金相图；
图4为本发明实施例2的烧结曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
材料名称：有序多孔TC4合金
材料规格：60mm×Φ150mm的圆柱形有序多孔TC4合金
化学成分（质量百分比）：Ti元素质量百分比为90%，Al元素质量百分比为6%及V元素质量百分比为4%。
实验设备：行星式高能球磨机、真空热压烧结炉。
如图1所示，具体制备工艺步骤：
（1）原料准备：按Ti-6Al-4V合金的标准成分比例，称取325目的TiH2粉末、Al-V合金粉末，TiH2粉末、Al-V合金粉末均可市购得到，下同，并进行混合得到混合粉末；
（2）在步骤（1）的混合粉末中添加混合粉末质量5%的模板剂丙酮溶液得到混合物，其中模板剂为BHPA（2,2-二羟甲基丙酸），模板剂丙酮溶液是将BHPA（2,2-二羟甲基丙酸）按质量比1:7的溶于丙酮得到的混合液；
（3）球磨：将步骤（2）的混合物按球料体积比3:1置入球磨罐，装料容积为40%，采用行星式高能球磨机，设置球磨转速为60r/min，球磨时间为100min；
（4）真空热压烧结：将步骤（3）球磨好的混合物称取4g置于圆柱形模压模具中，并将热压模具置于真空热压烧结炉内，真空度10-4Pa下进行升温，以10℃/min的升温速率升温至100℃，在100℃时进行炉内热压处理，压制压力为5MPa，保压15min，继续以10℃/min的升温速率升温至200℃，在200℃～400℃设置较慢升温速率为8℃/min，确保造孔剂完全挥发，然后接着以10℃/min的升温速率升温至1000℃烧结90min，之后随炉降温得到有序多孔TC4合金，烧结过程保持高真空状态且真空度达到10-4Pa。
对得到的有序多孔TC4合金产品利用阿基米德排水法进行密度测试，计算得到该工艺制取的合金孔隙率为46.8%；图2所示，为得到的TC4合金的XRD图；图3所示为得到的TC4合金的金相图，图中可知连通孔洞直径为3.1μm。
实施例2
材料名称：有序多孔TC4合金
材料规格：60mm×Φ150mm的圆柱形有序多孔TC4合金
化学成分（质量百分比）：Ti元素质量百分比为90%，Al元素质量百分比为6%及V元素质量百分比为4%。
实验设备：行星式高能球磨机、真空热压烧结炉。
具体制备工艺步骤：
（1）原料准备：按Ti-6Al-4V合金的标准成分比例，称取400目的TiH2粉末、Al-V合金粉末，并进行混合得到混合粉末；
（2）在步骤（1）的混合粉末中添加混合粉末质量10%的模板剂丙酮溶液得到混合物，其中模板剂为BHPA（2,2-二羟甲基丙酸），模板剂丙酮溶液是将BHPA（2,2-二羟甲基丙酸）按质量比1:7的溶于丙酮得到的混合液；
（3）球磨：将步骤（2）的混合物按球料体积比3:1置入球磨罐，装料容积为40%，采用行星式高能球磨机，设置球磨转速为50r/min，球磨时间为120min；
（4）真空热压烧结：烧结曲线图见图4所示，将步骤（3）球磨好的混合物称取4g置于圆柱形模压模具中，并将热压模具置于真空热压烧结炉内，真空度10-3Pa下进行升温，以10℃/min的升温速率升温至50℃，在50℃时进行炉内热压处理，压制压力为10MPa，保压10min，继续以10℃/min的升温速率升温至200℃，在200℃～400℃设置较慢升温速率为5℃/min，确保造孔剂完全挥发，然后接着以10℃/min的升温速率升温至1100℃烧结75min，之后随炉降温得到有序多孔TC4合金，烧结过程保持高真空状态且真空度达到10-3Pa。
对得到的有序多孔TC4合金产品利用阿基米德排水法进行密度测试，计算得到该工艺制取的合金孔隙率为54.3%，连通孔洞直径为3.7μm，通过金相显微镜、XRD及SEM测试均可得到该产品为合格的有序多孔TC4合金。
实施例3
材料名称：有序多孔TC4合金
材料规格：60mm×Φ150mm的圆柱形有序多孔TC4合金
化学成分（质量百分比）：Ti元素质量百分比为90%，Al元素质量百分比为6%及V元素质量百分比为4%。
实验设备：行星式高能球磨机、真空热压烧结炉。
如图1所示，具体制备工艺步骤：
（1）原料准备：按Ti-6Al-4V合金的标准成分比例，称取400目的TiH2粉末、Al-V合金粉末，并进行混合得到混合粉末；
（2）在步骤（1）的混合粉末中添加混合粉末质量15%的模板剂丙酮溶液得到混合物，其中模板剂为BHPA（2,2-二羟甲基丙酸），模板剂丙酮溶液是将BHPA（2,2-二羟甲基丙酸）按质量比1:7的溶于丙酮得到的混合液；
（3）球磨：将步骤（2）的混合物按球料体积比3:1置入球磨罐，装料容积为40%，采用行星式高能球磨机，设置球磨转速为160r/min，球磨时间为60min；
（4）真空热压烧结：将步骤（3）球磨好的混合物称取4g置于圆柱形模压模具中，并将热压模具置于真空热压烧结炉内，真空度10-2Pa下进行升温，以8℃/min的升温速率升温至250℃，在250℃时进行炉内热压处理，压制压力为15MPa，保压5min，继续以8℃/min的升温速率升温至200℃，在200℃～400℃设置较慢升温速率为3℃/min，确保造孔剂完全挥发，然后接着以8℃/min的升温速率升温至1300℃烧结60min，之后随炉降温得到有序多孔TC4合金，烧结过程保持高真空状态且真空度达到10-2Pa。
对得到的有序多孔TC4合金产品利用阿基米德排水法进行密度测试，计算得到该工艺制取的合金孔隙率为64.2%；连通孔洞直径为3.5μm，通过金相显微镜、XRD及SEM测试均可得到该产品为合格的有序多孔TC4合金。

Claims (5)

1.一种有序多孔TC4合金的制备方法，其特征在于，将TiH2粉末、Al-V合金粉末按TC4合金标准成分比例混合得到混合粉末，加入模板剂丙酮溶液，进行高能球磨，然后进行真空热压烧结，最终得到有序多孔TC4合金；
所述模板剂丙酮溶液是将模板剂按质量比1:7的比例溶于丙酮得到；
所述模板剂为2,2-二羟甲基丙酸。
2.根据权利要求1所述有序多孔TC4合金的制备方法，其特征在于，所述TiH2粉末和Al-V合金粉末粒度为325 ~400目。
3.根据权利要求1所述有序多孔TC4合金的制备方法，其特征在于，所述模板剂丙酮溶液加入量为混合粉末质量的5~15%。
4.根据权利要求1所述有序多孔TC4合金的制备方法，其特征在于，所述高能球磨选用行星式高能球磨机，球料体积比为3:1，球磨转速为50~160r/min，球磨时间60~120min。
5.根据权利要求1所述有序多孔TC4合金的制备方法，其特征在于，所述真空热压烧结的具体工艺为：真空度10-4～10-2Pa下，在50～250℃时进行炉内热压处理，压制压力为5 ~15MPa，保压5～15min，1000～1300℃烧结60～90min，且升温过程中在200～400℃设置升温速率不大于8℃/min，烧结过程持续抽真空。
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