一种多孔TiNb合金的制备方法与流程

本发明属于多孔钛合金的制备方法，特别涉及一种具有近立方体形状孔隙结构的仿生多孔梯度TiNb合金的粉末冶金方法。

背景技术：

多孔钛合金因为具有与骨组织相匹配的低弹性模量和强度、多孔结构以及良好的生物相容性受到关注，可用于硬组织如骨骼、牙根等的修复与替换。人体的某些骨骼具有多孔梯度的结构特点，即沿径向由外向内的孔隙度存在差异，即具有梯度结构的特点。多孔结构有利于组织长入和体液以及养分的输送。因此，本发明涉及的多孔梯度多孔TiNb合金属于一种骨组织仿生材料。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多孔梯度多孔TiNb合金的制备方法。本方法能够通过烧结制备出具有近立方体形状孔隙结构的多孔梯度TiNb合金，可用于骨骼、牙根等的替换与修复。

采用的技术方案是：

（1）一种多孔TiNb合金的制备方法，包括下述步骤：

制作模具：

所述模具，包括底座、外筒、第一梯度套筒、第二梯度套筒和上座。外筒下端与底座的圆形凸台螺纹连接。底座的圆形凸台的上端面开设有第一环形凹槽和第二环形凹槽。第一梯度套筒的下端插第一环形凹槽内，间隙配合。第二梯度套筒的下端插入第二环形凹槽内，间隙配合（如图1所示）。

（2）取平均粒度≤165微米的钛粉备用。取平均粒度≤165微米的铌粉备用。取50--500微米的近立方体形的NaCl化学试剂颗粒作为造孔剂备用。

（3）按Ti：Nb=(65--55):(35--45.0)的质量比称取钛和铌粉,在混料器中混合24-48小时，备用。按所属造孔剂在混合物中的质量分数为5--50%的比例称取NaCl，与上述混合的钛和铌粉分别组成不同含量造孔剂的金属-造孔剂混合物，并分别在混料器中混合18--24小时。

（4）将上述充分混合的不同含量造孔剂的混合物依次放入如图1所示模具的不同套筒中；如图2所示，并将上座置于粉末之上，在100--150MPa的压强下压制成设定形状的坯料备用。

（5）将上述压制坯料浸没在70--80^OC的纯净水中25--30分钟，造孔剂NaCl会逐渐溶解在纯净水中，而后重新换纯净水；重复以上溶解过程15—20次，使造孔剂溶解。

（6）将上述坯料放入真空烧结炉中，以≤10℃/分钟的速度加热至1160--1350℃保温4--8小时随炉冷却至室温完成烧结，得到多孔梯度TiNb合金。真空烧结炉（0.01Ｐa≤真空度≤1Ｐa）。

多孔TiNb合金的孔隙度范围约为9.8--71.3%，孔隙度沿径向呈现出梯度变化的特征，平均孔隙尺寸范围为80--550微米，具有近立方体形状的孔隙结构。

所烧结的多孔TiNb合金的孔隙度（P）与造孔剂在金属粉末与造孔剂的混合物中的质量百分数间的经验关系式为P≈0.03+1.35D+0.03D²。例如D=20%，即0.2时，P≈0.3，即30%。孔隙度误差为±4%。

所烧结的多孔TiNb合金的平均孔隙尺寸比造孔剂的平均粒度大30--50微米。

所述的多孔TiNb合金，孔隙度为9.8--71.3%，孔隙度沿径向呈现出梯度变化的特征，平均孔隙尺寸为80--550微米，具有立方体形状孔隙结构，具有优良的生物相容性。

本发明的优点：

本多孔梯度TiNb合金具有与人体硬组织匹配的弹性模量，多孔梯度的孔隙结构与人体松质骨的微观结构相似。可用于骨骼、牙根等的替换与修复，是理想的硬组织替代材料。本发明的工艺简便易行，节能，环保，孔隙度范围宽，平均孔隙尺寸范围宽。

附图说明

图1是本发明方法中使用的模具示意图。

图2是制备多孔梯度生坯填料后示意图。

具体实施方式

实施例一

一种多孔TiNb合金的制备方法，包括下述步骤：

（1）制作模具：

所述模具，包括底座1、外筒2、第一梯度套筒3、第二梯度套筒4、上座7。外筒2下端与底座1的圆形凸台螺纹连接。底座1的底座圆形凸台的上端面开设有第一环形凹槽5和第二环形凹槽6。第一梯度套筒3的下端插第一环形凹槽5内，间隙配合。第二梯度套筒4的下端插入第二环形凹槽6内，间隙配合（如图1所示）。

（2）分别取平均粒度≤75微米的866g商用钛粉和平均粒度≤75微米的466g铌粉，在混料器中混合24小时，备用。取经过筛分的粒度范围为50--150微米的138g造孔剂NaCl颗粒，备用。

（3）取上述混合后的钛和铌粉465g与上述氯化钠颗粒25g在混料器中混合18小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物A，松装在如图1所示模具的外筒2（内径为89mm）和第一梯度套筒3（外径74mm）之间的环形区域中；取上述混合后的钛和铌粉446g与上述氯化钠颗粒44g在混料器中混合18小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物B，松装在如图1所示模具的第一梯度套筒3（内径72mm）和第二梯度套筒4（外径52mm）之间的环形区域中；取上述混合后的钛和铌粉421g与上述氯化钠颗粒69g在混料器中混合18小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物C，松装在如图1所示模具的第二梯度套筒4（内径50mm）内；轻轻抽出第一梯度套筒3和第二梯度套筒4；如图2所示，将上座7置于粉末上，在100MPa压强下压制成φ89mm×50mm的坯料。

（4）将上述压制坯料浸没在70^OC的纯净水中30分钟，造孔剂NaCl会逐渐溶解在纯净水中，而后重新换纯净水；重复以上溶解过程15次，使造孔剂溶解。

（5）随后将坯料放入真空烧结炉中以10℃/分钟的速度加热至1160℃保温4小时，冷却得到多孔梯度Ti-35Nb(wt%)合金。真空烧结炉（真空度0.1Ｐa）。

平均孔隙尺寸范围为80-200微米, 为近立方体形状形的孔隙结构。孔隙度为沿径向依次呈现9.8%→15.2%→21.9%的梯度分布，孔隙度误差为±4%。

实施例二

一种多孔TiNb合金的制备方法，包括下述骤：

（1）制作模具：

所述模具，包括底座1、外筒2、第一梯度套筒3、第二梯度套筒4、上座7。外筒2下端与底座1的圆形凸台螺纹连接。底座1的底座圆形凸台的上端面开设有第一环形凹槽5和第二环形凹槽6。第一梯度套筒3的下端插第一环形凹槽5内，间隙配合。第二梯度套筒4的下端插入第二环形凹槽6内，间隙配合（如图1所示）。

（2）分别取平均粒度≤45微米的585g商用钛粉和平均粒度≤45微米的390g铌粉，在混料器中混合36小时，备用。取经过筛分的粒度范围为150--300微米的240g造孔剂NaCl颗粒，备用。

（3）取上述混合后的钛和铌粉295g与上述氯化钠颗粒110g在混料器中混合20小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物A，松装在如图1所示模具的外筒2（内径83mm）和第一梯度套筒3（外径68mm）之间的环形区域中；取上述混合后的钛和铌粉325g与上述氯化钠颗粒80g在混料器中混合20小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物B，松装在如图1所示模具的第一梯度套筒3（内径66mm）和第二梯度套筒4（外径47mm）之间的环形区域中；取上述混合后的钛和铌粉355g与上述氯化钠颗粒50g在混料器中混合20小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物C，松装在如图1所示模具的第二梯度套筒4（内径45mm）内；轻轻抽出第一梯度套筒3和第二梯度套筒4；如图2所示，将上座置于粉末上，在130MPa压强下压制成φ83mm×50mm的坯料。

（4）将上述压制坯料浸没在75^OC的纯净水中25分钟，造孔剂NaCl会逐渐溶解在纯净水中，而后重新换纯净水；重复以上溶解过程18次，使造孔剂NaCl溶解。

（5）随后将坯料放入真空烧结炉中以5℃/分钟的速度加热至1300℃保温6小时，冷却得到多孔Ti-40Nb(wt%)合金。真空烧结炉（真空度0.01Ｐa）。

平均孔隙尺寸范围为180--350微米,为近立方体形状的孔隙结构。孔隙度沿径向呈现出39.7%→29.8%→19.9%的梯度。孔隙度误差为±4%。

实施例三

一种多孔TiNb合金的制备方法，包括下述骤：

（1）制作模具：

所述模具，包括底座1、外筒2、第一梯度套筒3、第二梯度套筒4、上座7。外筒2下端与底座1的圆形凸台螺纹连接。底座1的底座圆形凸台的上端面开设有第一环形凹槽5和第二环形凹槽6。第一梯度套筒3的下端插第一环形凹槽5内，间隙配合。第二梯度套筒4的下端插入第二环形凹槽6内，间隙配合（如图1所示）。

（2）分别取平均粒度≤165微米的373g商用钛粉和平均粒度≤165微米的305g铌粉，在混料器中混合48小时，备用。取经过筛分的粒度范围为350--500微米的522g造孔剂NaCl颗粒，备用。

（3）取上述混合后的钛和铌粉200g与上述氯化钠颗粒200g在混料器中混合24小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物A，松装在如图1所示模具的外筒2（内径85mm）和第一梯度套筒3（外径68mm）之间的环形区域中；取上述混合后的钛和铌粉228g与上述氯化钠颗粒172g在混料器中混合24小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物B，松装在如图1所示模具的第一梯度套筒3（内径66mm）和第二梯度套筒4（外径47mm）之间的环形区域中；取上述混合后的钛和铌粉250g与上述氯化钠颗粒150g在混料器中混合24小时，制成金属粉末与造孔剂的混合物C，松装在如图1所示模具的第二梯度套筒4（内径45mm）内；轻轻抽出第一梯度套筒3和第二梯度套筒4；如图2所示，将上座置于粉末上，在150MPa压强下压制成φ85mm×60mm的坯料。

（4）将上述压制坯料浸没在80^OC的纯净水中30分钟，造孔剂NaCl会逐渐溶解在纯净水中，而后重新换纯净水；重复以上溶解过程20次，使造孔剂NaCl溶解。

（5）随后将坯料放入真空烧结炉中以4℃/分钟的速度加热至1350℃保温8小时，冷却得到多孔Ti-45Nb(wt%)合金。真空烧结炉（真空度1Ｐa）。

平均孔隙尺寸范围为380-550微米,为近立方体形状的孔隙结构。孔隙度沿径向呈现出71.3%→61.6%→54.0%的梯度。孔隙度误差为±4%。