专利名称：一种多孔钛与多孔钛合金的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种多孔钛与多孔钛合金的制备方法，采用冷喷涂成形技术，配合真 空热处理来获得所需多孔材料。主要适用于生物材料，也可用于特殊情况下的结构材 料。
背景技术：
金属泡沫或金属多孔材料是80年代后期国际上迅速发展起来的一种物理功能与 结构一体化的新型工程材料。它是一种具有渗透性好、孔隙和孔径可控、形状稳定、 耐高温、抗热震、能再生、可加工等特殊性能的功能材料。金属多孔材料广泛应用于 航空、航天、原子能、石化、冶金、机械、医药、环保等行业的过滤、分离、消音、 布气、催化、热交换等工艺中。近年来，各领域对金属多孔材料的需求大大促进了其 发展。另一方面，钛与钛合金因其良好的耐腐蚀性能、高的比强度、优异的生物相容 性等特点在航空航天、生物等领域得到广泛应用。在其生物应用中，多孔钛与钛合金
的制备是一个需要解决的关键问题，其中还涉及多孔材料质量优劣的重要指标孔洞 尺寸和形状的均匀性。目前已有的多孔钛制备方法主要有烧结法与热喷涂法。烧结 法主要是在钛或钛合金基体上堆积钛球、短钛纤维、钛网或TiH2进行烧结(美国专利
US4206516、中国专利03810032.0)，但该方法制备的多孔钛与基体结合较差，钛纤 维易脱落。热喷涂法主要用于制备多孔钛涂层。1971年美国专利US3605123报道了等 离子喷涂TiH2制备多孔钛涂层，但所得涂层的孔隙均匀性较差。1985年美国专利 US4542539用火焰喷涂制备了梯度多孔钛涂层，但涂层结合强度低，仅7MPa。日本 Kobe Steel公司采用真空等离子喷涂制备出孔隙率40 60%、弹性模量4.7GPa、压縮 强度85MPa的多孔钛涂层。Sulzer Calcitek公司将真空等离子喷涂制备的多孔钛涂层 成功地应用于牙种植体，并于1997年获得FDA认证，进入市场。但真空等离子喷涂 设备昂贵，且仍然存在孔隙均匀性和开孔连通性较差的问题。最近的研究表明[W.-Y. Li:et al.， Ti and Ti-6A1-4V coatings by cold spraying and microstructure modification by heat treatment, Advanced Engineering Materials, 2007， 9(5), 418-423〗，冷喷涂可用于制备Ti
与Ti合金涂层，并且所制备的涂层表现出较高的气孔率；所制备涂层热处理后，涂层 与基体的结合强度得到提高。但这些初步的研究只涉及较薄涂层制备，对所制备涂层 的本身性能没有表征，喷涂工艺与热处理工艺单一，缺乏系统性。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种多孔钛与多孔钛合金的制备方法， 该方法制备的多孔钛与钛合金孔隙度分布较均匀、可控性较好，并且设备、工艺简单， 生产周期短，生产成本低廉。
技术方案
本发明的基本思想是首先在基体上冷喷涂成形制备钛或钛合金涂覆层，然后进 行真空热处理， 一是增加沉积颗粒间的结合强度，二是改善孔隙及其分布。 一种多孔钛与多孔钛合金的制备方法，其特征在于制备步骤如下
步骤一将粒度范围在5 200pm的Ti粉末或Ti合金粉末，在80 100°C的烘 箱中烘烤1 4小时；
步骤二对平板状基体表面或者棒状基体表面进行喷砂粗化预处理；
步骤三采用冷喷涂方法在上述基体上喷涂步骤一中准备的Ti粉末或Ti合金粉
末，喷涂时送粉量为10 100g/min;涂覆层厚度为100nm 50mm;
步骤四将步骤三得到的涂覆层置于真空热处理炉内进行热处理，真空室真空度
要求小于10—3Pa;保温温度在600 900°C;保温时间在1 8小时。 基体需要剥离时，应将基体在步骤四的热处理之前进行剥离。
所述的Ti粉末或Ti合金粉末的粉末粒度的选择原则是当要求喷涂完成后的孔
隙度小于20% 40%时选择粒度5 10(Him的粉末；当要求喷涂完成后的孔隙大于40%时，选择100 200nm的粉末。
所述的喷砂预处理，对于钛或钛合金基体采用一24目的砂粒；对于需剥离的基体 采用一100目的砂粒。
有益效果
本发明的提出的多孔钛与多孔钛合金的制备方法，具有工艺简单，生产周期短， 生产成本低廉的特点。利用本发明提出的方法制备的多孔钛与多孔钛合金孔隙度分布 较均匀、可控性较好。本发明方法制备的多孔钛与多孔钛合金的孔隙率可在5% 50% 范围变化，强度根据孔隙度不同在30 75MPa变化。该方法可控性好、生产效率高， 有助于工业化应用。
图l:为实施本发明所涉及的原始粉末形貌照片，其中(a)为Ti粉，粒度ll-45pm， (b)为Ti粉，粒度45-160pm， (c)为Ti-6A1-4V粉，粒度11-63nm;
图2:为采用图l(a)Ti粉所制备多孔材料断面光镜照片，其中(a)为喷涂态，(b)为 热处理态；
图3:为釆用图l(b)Ti粉所制备多孔材料断面光镜照片，其中(a)为喷涂态，(b)为 热处理态；
图4:为采用图1(c)Ti-6Al-4V粉所制备多孔材料断面光镜照片，其中(a)为喷涂态， (b)为热处理态；
图5:为采用图l(a)Ti粉在Ti-6A1-4V基体上所制备多孔Ti涂层断面光镜照片， 其中(a)为喷涂态，(b)为热处理态。
具体实施例方式
现结合实施例对本发明作进一步描述 实施实例1:
选用11-45pm钛粉。基体为45mmx30mmx4mm低碳钢板，喷涂前采用一100目氧化铝细砂进行表面粗化处理。冷喷涂工作气体为压縮空气，喷枪入口处气体压力
2.7MPa，气体温度500 52(TC;送粉气体为氩气，压力3.0MPa;送粉率大约30g/min; 喷涂距离30mm，喷枪移动速度150mm/s。涂覆层厚度约5mm。喷涂后剥离基体，然 后进行真空热处理，热处理温度850'C，保温时间4小时，然后随炉冷却到室温。观 察涂层断面组织，如图2所示，涂层中气孔分布较均匀。喷涂态平均孔隙率约11%， 热处理态平均孔隙率约15%。热处理后，涂层中粒子间接触界面达到冶金结合，结合 强度明显提高，从喷涂态的25MPa左右到热处理态的75MPa以上。 实施实例2:
选用45-160iiim钛粉。基体为45mmx30mmx4mm低碳钢板，喷涂前采用一IOO目 氧化铝细砂进行表面粗化处理。冷喷涂工作气体为压縮空气，喷枪入口处气体压力 2.8MPa，气体温度约55(TC;送粉气体为氩气，压力3.1Mpa;送粉率大约30g/min; 喷涂距离30mm，喷枪移动速度150mm/s。涂覆层厚度约5mm。喷涂后剥离基体，然 后进行真空热处理，热处理温度85(TC，保温时间4小时，然后随炉冷却到室温。观 察涂层断面组织，如图3所示，涂层中气孔分布较均匀。喷涂态平均孔隙率约15%, 热处理态平均孔隙率约18%。热处理后，涂层中粒子间接触界面达到冶金结合，结合 强度明显提高，从喷涂态的18MPa左右到热处理态的70MPa以上。
实施实例3:
选用11-63pm的Ti-6Al-4V粉。基体为45mmx30mmx4mm低碳钢板，喷涂前采 用一IOO目氧化铝细砂进行表面粗化处理。冷喷涂工作气体为压縮空气，喷枪入口处 气体压力2.8MPa气体温度约55(TC;送粉气体为氩气，压力3.1MPa;送粉率大约 30g/min;喷涂距离30mm，喷枪移动速度150mm/s。涂覆层厚度约5mm。喷涂后剥离 基体，然后进行真空热处理，热处理温度85(TC，保温时间4小时，然后随炉冷却到 室温。观察涂层断面组织，如图4所示，涂层中气孔分布较均匀。因钛合金强度高， 变形能力差，所制备涂层孔隙率更高，喷涂态平均孔隙率约28%，热处理态平均孔隙率约38%。热处理后，涂层中粒子间接触界面达到冶金结合，结合强度明显提高，从 喷涂态的10MPa左右到热处理态的55MPa左右。 实施实例4:
选用11-45pm钛粉。基体为直径25.4mm、长度10mm的Ti-6A1-4V圆盘状试样， 喷涂前采用一24目氧化铝细砂进行表面粗化处理。冷喷涂工作气体为压縮空气，喷枪 入口处气体压力3.0MPa，气体温度500 52(TC;送粉气体为氩气，压力3.3MPa;送 粉率大约30g/min;喷涂距离30mm，喷枪移动速度150mm/s。涂覆层厚度约0.7mm。 喷涂后直接进行真空热处理，热处理温度80(TC，保温时间4小时，然后随炉冷却到 室温。观察涂层断面组织，如图5所示，涂层表层300pm内气孔分布较均匀，且气孔 率较高。涂层与基体结合良好。喷涂态平均孔隙率约7%，热处理态平均孔隙率约13%。 热处理后，涂层中粒子间接触界面达到冶金结合，结合强度明显提高，从喷涂态的 25MPa左右到热处理态的70MPa以上。
实施本发明方法时，粉末粒度及范围根据所要求孔隙度及孔隙尺寸等来选择，当. 要求孔隙度小于20% 40%，选择粒度5 100um;当要求孔隙大于40%时，选择 100 200 u m的粉末进行喷涂。
基体材料种类选择，根据所需基体生物材料种类而定，以便形成多孔钛或多孔钛 合金。当要求独立多孔钛或多孔钛合金材料时，需考虑制备涂覆层的剥离，选择一般 工业金属材料做为基体即可，如碳钢等，在喷涂后采用机械捶击或机械加工方法剥离 基体。
喷砂预处理也是根据应用需要而定，对于钛或钛合金基体，要求喷砂粗化效果好， 表面粗糙度大，采用一24目砂粒；对于需剥离的基体表面，可简单喷砂处理，表面粗 糙度小，采用一IOO目砂粒。
涂覆层的制备，要求喷涂时送粉量在10 100g/min。
权利要求
1.一种多孔钛与多孔钛合金的制备方法，其特征在于制备步骤如下步骤一将粒度范围在5～200μm的Ti粉末或Ti合金粉末，在80～100℃的烘箱中烘烤1～4小时；步骤二对平板状基体表面或者棒状基体表面进行喷砂粗化预处理；步骤三采用冷喷涂方法在上述基体上喷涂步骤-中准备的Ti粉末或Ti合金粉末，喷涂时送粉量为10～100g/min；涂覆层厚度为100μm～50mm；步骤四将步骤三得到的涂覆层置于真空热处理炉内进行热处理，真空室真空度要求小于10-3Pa；保温温度在600～900℃；保温时间在1～8小时。
2. 根据权利要求1所述的多孔钛与多孔钛合金的制备方法，其特征在于基体需要剥离时，应将基体在步骤四的热处理之前进行剥离。
3. 根据权利要求1所述的多孔钛与多孔钛合金的制备方法，其特征在于所述的Ti 粉末或Ti合金粉末的粉末粒度的选择原则是当要求喷涂完成后的孔隙度小于20% 40%时选择粒度5 100pm的粉末；当要求喷涂完成后的孔隙大于40%时， 选择100 200pm的粉末。
4. 根据权利要求1或2所述的多孔钛与多孔钛合金的制备方法，其特征在于所述的喷砂预处理，对于钛或钛合金基体采用一24目的砂粒；对于需剥离的基体采用一IOO目的砂粒。
全文摘要
本发明涉及一种多孔钛与多孔钛合金的制备方法，其特征在于制备步骤如下将Ti粉末或Ti合金粉末在烘箱中烘烤，对平板状基体表面或者棒状基体表面进行喷砂粗化预处理；采用冷喷涂方法在上述基体上喷涂步骤一中准备的Ti粉末或Ti合金粉末，将步骤三得到的涂覆层置于真空热处理炉内进行热处理。本发明的工艺简单，生产周期短，生产成本低廉的特点。利用本发明提出的方法制备的多孔钛与多孔钛合金孔隙度分布较均匀、可控性较好。本发明方法制备的多孔钛与多孔钛合金的孔隙率可在5％～50％范围变化，强度根据孔隙度不同在30～75MPa变化。该方法可控性好、生产效率高，有助于工业化应用。
文档编号C22C1/08GK101285136SQ200810018199
公开日2008年10月15日 申请日期2008年5月15日 优先权日2008年5月15日
发明者李文亚 申请人:西北工业大学