CN112475303B - 基于TiH2的Ti-Nb-Sn骨修复合金的粉末冶金制备方法 - Google Patents

基于TiH2的Ti-Nb-Sn骨修复合金的粉末冶金制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于TiH2的Ti‑Nb‑Sn骨修复合金的粉末冶金制备方法，通过其方法得到的合金的压缩性能取得了明显的提高，该方法主要包含如下步骤：按成分配比称取TiH2、Nb、Sn粉末，将TiH2、Nb、Sn粉末进行机械均匀混合；采用压片机，对混合均匀的TiH2、Nb、Sn粉末进行压制，得到样品；在高纯氩气保护气氛下，将所述样品放入管式炉中进行烧结成形；烧结完成后，随炉冷却，得到Ti‑Nb‑Sn合金。

Description

基于TiH2的Ti-Nb-Sn骨修复合金的粉末冶金制备方法
技术领域
本发明属于生物医用钛合金制备技术领域，提供了基于TiH2的Ti-Nb-Sn骨修复合金的粉末冶金制备方法。
背景技术
生物医用材料主要包括陶瓷、高分子聚合物和金属三大类，相较于另外两种，金属材料具有更好的机械相容性、即足够的强度和韧性、良好的耐磨性以及合适的弹性模量，更加适用于骨修复材料。金属材料主要分为不锈钢、钴铬合金和钛及钛合金三大类，这些材料各有优势与不足。不锈钢材料作为植入体，主要用于骨骼和牙等硬组织的修复，成本低且加工简单，但是耐腐蚀性差，尤其是在高应力区域，容易发生腐蚀。钴铬合金具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，且疲劳强度高，但其中包含的Co和Cr元素会对人体产生危害，大大限制了其应用。相比之下，钛及钛合金由于具有比强度高、耐磨性好、耐腐蚀性好以及生物相容性好等特点，逐渐成为了骨修复材料的首选。纯Ti及Ti-6Al-4V是目前应用最广泛的骨修复钛合金，但Al和V被证实会对人体产生毒害，且其弹性模量依旧与人体骨骼不匹配，植入人体后会产生“应力屏蔽”现象，导致植入体产生松动，进而影响到其修复作用。因此，需要研制新型低模量的无毒钛合金来解决当下的问题。
目前，主要通过在纯Ti中添加Nb、Ta、Zr、Sn、Mo等无毒元素来研制新型的生物医用钛合金，可以在不损失合金强度、韧性的情况下，有效降低弹性模量。国内外研究人员已经研制出了Ti-13Nb-13Zr、Ti-5Mo-3Sn等一系列新型生物医用钛合金，不仅具有更优秀的力学性能、更低的弹性模量，而且可以避免对人体产生毒害，具有良好的生物相容性。而作为骨修复材料，硬度是一个很重要的指标。Ti-Nb合金的弹性模量较低且无毒害，且可以满足作为骨修复材料的硬度要求，是很有发展前景的骨修复材料之一。为了预防球磨过程中粉末粘罐，造成粉末成分不可控的情况，采用脆性粉末TiH2来代替Ti粉。脆性的TiH2粉末颗粒球磨过程中更容易磨细，粉末混合的更均匀，且不容易粘罐，可以更好的控制合金成分。粉末中的H元素会在烧结过程中脱除，不会影响最终的合金成分。 Ti合金中不同的相有不同的弹性模量，其中β相弹性模量最低，ω相最高。相关研究表明，Sn元素的加入可以有效地抑制ω相的产生。因此，制备Ti-Nb-Sn合金是一种好的选择。
然而，为了获得综合性能更加优秀的钛合金，加入了Mo、Nb、Zr等难熔元素，传统的熔铸方法容易产生成分偏析，导致制备的钛合金性能不均匀，影响实际使用。为了能将Ti-Nb-Sn合金真正的运用于骨修复材料，现在可以采用粉末冶金法来制备。不仅可以获得性能均匀的钛合金，还可以制备多孔钛合金或复合材料，可以更好的满足人体的使用需求。
Ti-Nb-Sn合金的压缩性能包括屈服强度和抗压强度，是衡量合金力学性能的重要指标。但是现有的粉末冶金制备方法得到的Ti-Nb-Sn合金的压缩性能不理想，因此需要进一步改进制备方法来得到压缩性能较好的Ti-Nb-Sn合金。
发明内容
为了解决现有的Ti-Nb-Sn合金粉末冶金制备方法得到的合金压缩性能不理想的问题，本发明提供了一种基于TiH2的Ti-Nb-Sn骨修复合金的粉末冶金制备方法，通过其方法得到的合金的压缩性能取得了明显的提高。
其具体技术方案如下：
基于TiH2的Ti-Nb-Sn骨修复合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：
该方法主要包含如下步骤：
(1)按成分配比称取TiH2、Nb、Sn粉末，将TiH2、Nb、Sn粉末进行机械均匀混合；
(2)采用压片机，对混合均匀的TiH2、Nb、Sn粉末进行压制，得到样品；
(3)在高纯氩气保护气氛下，将所述样品放入管式炉中进行烧结成形；
(4)烧结完成后，随炉冷却，得到Ti-Nb-Sn合金。
进一步的，所述的将TiH2、Nb、Sn粉末进行机械均匀混合具体为：采用球磨工艺对TiH2、Nb、Sn粉末进行机械混合，其工艺参数为：球料比为3:1，球磨时间10h，转速300r/min。
进一步的，所述的对混合均匀的TiH2、Nb、Sn粉末进行压制具体为：采用手动式压片机，对混合均匀的TiH2、Nb、Sn粉末进行压制，其工艺参数为：压力为600MPa，保压时间为5min。
进一步的，所述的在高纯氩气保护气氛下，将所述样品放入管式炉中进行烧结成形具体为：在纯度为99.99％的惰性氩气保护气氛下，将所述样品放入管式炉中烧结，其工艺参数为：升温速率为4℃/min，在800℃、1300℃分别保温2h。
进一步的，所述的按成分配比称取TiH2、Nb、Sn粉末具体为：原料TiH2粉、气雾化Nb粉和气雾化Sn粉粉末的粒径分别为：300目、400目、0～1067 目。
进一步的，所述气雾化Sn粉粉末的粒径为：0目。
进一步的，所述气雾化Sn粉粉末的粒径为：400目。
进一步的，所述气雾化Sn粉粉末的粒径为：667目。
进一步的，所述气雾化Sn粉粉末的粒径为：1067目。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
1通过改进Ti-Nb-Sn合金的粉末冶金制备方法中的工艺过程和工艺参数，使得Ti-Nb-Sn合金在其他性能保持不变的情况下其屈服强度和抗压强度显著提高，最终得到压缩性能较好的Ti-Nb-Sn合金。
2采用TiH2粉末进行混粉，球磨过程中不仅不易氧化，且不易粘罐，有效提高控制合金成分的精度；Nb的加入可以促进β相生成，Sn的加入可以有效降低合金的弹性模量，得到低模量高强度的Ti-10Nb-xSn合金；制备过程中无需添加剂，有效减少杂质对Ti-10Nb-xSn合金成分和性能的影响。
具体实施方式
实施例1：
采用电子天平称取300目TiH2粉45g、400目Nb粉5g，将上述粉末装入球磨罐，使用球磨机进行机械均匀混合，球料比为3:1，球磨时间为10h，转速为 300r/min；对混合均匀的粉末进行压制，压力为600MPa，保压时间5min，得到样品；在纯度为99.99％的氩气气氛保护下，将压制样品放入管式炉进行烧结，升温速率为4℃/min，在800℃、1300℃保温2h，然后随炉冷却，得到Ti-10Nb 合金，其屈服强度为907.85±29.17MPa、抗压强度为1309.99±45.09MPa。
实施例2：
采用电子天平称取300目TiH2粉43.5g、400目Nb粉5g、400目Sn粉1.5g，其余步骤采用与实施例1相同的工艺过程和工艺参数，最终得到Ti-10Nb-3Sn合金，其屈服强度为844.48±40.99MPa、抗压强度为1213.33±32.31MPa。
实施例3：
采用电子天平称取300目TiH2粉42.5g、400目Nb粉5g、667目Sn粉2.5g，其余步骤采用与实施例1相同的工艺过程和工艺参数，最终得到Ti-10Nb-5Sn合金，其屈服强度为893.26±39.62MPa、抗压强度为1172.79±43.10MPa。
实施例4：
采用电子天平称取300目TiH2粉41g、400目Nb粉5g、1067目Sn粉4g，其余步骤采用与实施例1相同的工艺过程和工艺参数，最终得到Ti-10Nb-8Sn合金，其屈服强度为991.87±18.06MPa、抗压强度为1236.17±33.70MPa。
通过本发明所制备的合金与现有技术中常见的合金的力学性能对比如表1所示，可以看出通过本发明所制备的合金相对于现有技术中常见的合金，其屈服强度和抗压强度有了明显的提高。
表1 Ti-10Nb-xSn合金与Ti-32Nb-2Sn合金的力学性能对比
Figure BDA0002791651400000041

Claims (5)

1.基于TiH2的Ti-Nb-Sn骨修复合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：
该方法主要包含如下步骤：
（1）按成分配比称取TiH2、Nb、Sn粉末，将TiH2、Nb、Sn粉末进行机械均匀混合；
（2）采用压片机，对混合均匀的TiH2、Nb、Sn粉末进行压制，得到样品；
（3）在高纯氩气保护气氛下，将所述样品放入管式炉中进行烧结成形；
（4）烧结完成后，随炉冷却，得到Ti-10Nb-xSn合金；
所述的将TiH2、Nb、Sn粉末进行机械均匀混合具体为：采用球磨工艺对TiH2、Nb、Sn粉末进行机械混合，其工艺参数为：球料比为3:1，球磨时间10h，转速300r/min；
所述的对混合均匀的TiH2、Nb、Sn粉末进行压制具体为：采用手动式压片机，对混合均匀的TiH2、Nb、Sn粉末进行压制，其工艺参数为：压力为600MPa，保压时间为5min；
所述的在高纯氩气保护气氛下，将所述样品放入管式炉中进行烧结成形具体为：在纯度为99.99%的惰性氩气保护气氛下，将所述样品放入管式炉中烧结，其工艺参数为：升温速率为4℃/min，在800℃、1300℃分别保温2h。
2.根据权利要求1所述的基于TiH2的Ti-Nb-Sn骨修复合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：所述的按成分配比称取TiH2、Nb、Sn粉末具体为：原料TiH2粉、气雾化Nb粉和气雾化Sn粉粉末的粒径分别为：300目、400目、0~1067目。
3.根据权利要求2所述的基于TiH2的Ti-Nb-Sn骨修复合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：所述气雾化Sn粉粉末的粒径为：400目。
4.根据权利要求2所述的基于TiH2的Ti-Nb-Sn骨修复合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：所述气雾化Sn粉粉末的粒径为： 667目。
5.根据权利要求2所述的基于TiH2的Ti-Nb-Sn骨修复合金的粉末冶金制备方法，其特征在于：所述气雾化Sn粉粉末的粒径为：1067目。
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