一种孔隙率可控的多孔钛制备方法

专利名称：一种孔隙率可控的多孔钛制备方法
技术领域：
本发明涉及粉末冶金成型技术，尤其是一种多孔钛及其合金的孔隙率、孔尺寸可控的 多孔钛及其合金的制备方法。
背景技术：
我国有着储量第一的钛资源，如何有效的发挥这一资源优势，开发高附加值的含钛新 材料，成为近年来研究关注的焦点。钛及钛合金具有低密度、高比强度、较宽的工作温度 范围、良好的耐腐蚀性和生物相容性等优异性能。多孔材料是当前材料界的一种新型的结 构与功能材料，在很多领域都得到了应用。多孔泡沫钛及其合金融合了钛合金与泡沫金属 的特性，能够减轻材料的重量而不削弱其强度，同时还有较高的韧性和耐腐蚀性。因此， 泡沫钛及其合金具有广阔的应用前景，例如，多孔钛可作为夹层结构、热交换层、触酶金 属层和生物植入材料等。
目前钛基多孔材料的制备，主要是采用粉末冶金原理制备。现有技术中，比较常见的 方法包括粉末直接烧结法，空心球烧结法和气体巻入技术，但是这些方法都存在一些固有 的弊端，例如，粉末直接烧结对原料粉末的依赖性很大，孔的尺寸和形状均无法控制；空 心球烧结可制备开孔和闭孔的混合结构，但成本很高；气体巻入技术工艺复杂、成本高， 且孔隙率较低等问题。此外，多孔材料的结构是影响其性能最重要的因素，实际多孔材料 的结构可用孔隙率、孔尺寸、孔形状和孔的排列等特征进行描述，其中最重要的结构参数 为孔隙率，已有很多资料证明了孔隙率与强度、杨式模量之间符合Gibson-Ashby模型。由 于工艺与结构对最终材料的性能有至关重要的影响，因此，开发一种工艺简单、孔隙率和 孔尺寸均可控的制备钛基多孔金属的方法成为目前的焦点。

发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种工艺简单，成本较低，而且 孔隙率、孔尺寸和孔形状均可控的生产多孔钛及其合金的方法。
本发明的目的是这样实现的 一种孔隙率可控的多孔钛制备方法，其特征在于，包含 以下步骤
U)将钛粉或钛合金粉与添加量为1.Wt。/。 4.wt。/。的粘结剂充分混合；
(2) 以尿素颗粒为造孔剂，将造孔剂加入步骤(1)得到的混合物中，所述造孔剂与 混合物的体积分数之比为30~80%: 70~20%，总量为100%;并充分混合均匀；
(3) 然后，将步骤(2)得到的混合物在压力为100MPa 250MPa下，进行粉末单向 压制成坯；
(4) 再将所得到的压坯在真空度为10—2~10—3Pa的真空炉中进行热处理，即制得多孔 金属构件。
所述粘结剂为聚乙二醇200、无水乙醇或甲苯。 所述尿素颗粒的直径为20(^m 2mm。 所述钛粉为纯钛或钛合金粉，其粒度为200~325目。 本发明的优点和有益效果是
(1) 本发明工艺简单，设备要求低，操作方便；
(2) 本发明根据加入尿素量的多少，可确定孔隙率即根据钛粉或合金粉末与尿素 的体积分数之比，孔隙率可在30~80%的较大范围内进行调整；根据尿素颗粒的大小 20(^m 2mm和形状即可确定孔尺寸和孔形状，实现多孔钛的孔隙率、孔尺寸和孔形状均 可控的目的；
(3) 采用尿素为造孔剂，具有原料成本较低的优点。
具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明涉及一种多孔钛(及其合金)的制备方法，以粉末冶金工艺为基础，原料为高 纯钛粉或合金粉末，颗粒尿素为造孔剂，具体实施步骤如下
(1) 将钕粉或钛合金粉与添加量为1.wt。/。 4.wtW的粘结剂充分混合；
(2) 以尿素颗粒为造孔剂，将造孔剂加入步骤(1)得到的混合物中，所述造孔剂与 混合物的体积分数之比为30~80%: 70~20%，总量为100%;并在V型混料机中混合l~2h;
(3) 然后，将步骤(2)得到的混合物在压力为100MPa 250MPa下，在模具中进行 粉末单向压制成坯；
(4) 再将所得到的压坯在真空度保持在10'2~l(T3Pa的真空炉中进行热处理，即制得 多孔金属构件。
在本发明方法中，由于实验用尿素的粒径大于2mm超过了 80%，为了使尿素具有合 适的粒度范围，采用将尿素在一定的溶剂中溶解然后对其进行干燥的方法，对尿素的粒径
进行处理。尿素溶于水和醇类物质，在水中的溶解速度很快，在醇类中溶解较慢，为了控 制溶解速度并尽可能提高效率，选用水与无水乙醇的混合溶液，水与无水乙醇的体积比为 1: 5~15，尿素颗粒与混合溶液的体积比1: 5~10。大约需要2 10min就可以使尿素颗粒溶 解到lmm左右。
另外，采用研磨方法将金属粉末或合金粉与粘结剂充分混合效果更佳，所述粘结剂为 聚乙二醇200、无水乙醇或甲苯(均为分析纯)均可，添加量为l.wt%~4.wt%。
所述步骤(4)的热处理工艺，需在真空炉中进行，真空度保持在10—2~l(T3Pa。包括去 除尿素和粉末烧结两个过程；所述去除尿素时，加热温度需控制在200°C~450°C，加热时 间为4 6h;尿素的去除过程即尿素的分解过程，由差热分析的结果可知，尿素的分解温度 为20(TC 45(TC左右，因此在这个温度范围内对试样进行缓慢加热，以免出现裂纹或坍塌 而破坏试样。粉末烧结温度一般为主要成分熔点(TJ的0.75倍，对于钛而言L为1670°C，
为了提高效率和改善烧结坯的质量，可以适当提高烧结温度，因此烧结温度取1250'C~1300 °C，烧结3 5h。 具体实施例
实例1:原料钛粉(200~325目)和尿素(20~24目)按70%孔隙率配比即原料钛 粉和尿素的体积分数之比为30%: 70%;粘结剂含量为原料钛粉的2.0wt。/。，原料钛粉加入 粘结剂后与尿素混合lh，在200MPa下单向压制(模具中)，再在1280。C下烧结3h，得到 实际孔隙率为65%，孔尺寸约为80(Htm，强度为24.7MPa的多孔钛。
实例2:原料钛合金粉(Ti6A14V合金粉，200~325目)和尿素(60 80目)按40%
孔隙率配比即原料钛合金粉和尿素的体积分数之比为60%: 40%;粘结剂含量为原料钛
合金粉的3.0wt%，原料钛合金粉加入粘结剂后与尿素混合1.5h，在150MPa下单向压制(模 具中)，再在130(TC下烧结4h，得到实际孔隙率为38%，孔尺寸为200pm，强度为85.1MPa 的多孔钛合金。
本发明的创新在于根据钛粉或合金粉末与尿素的体积分数之比，孔隙率可在30~80% 的较大范围内进行调整；根据尿素颗粒大小20(Him 2mm和形状即可确定孔尺寸和孔形状， 实现多孔钛的孔隙率、孔尺寸和孔形状均可控的目的。并不限于所述实施方式的各种原料 的比例，如在总量为100%的前提下，造孔剂与混合物的体积比可为30~80%: 70~20%中 的任何数值，压制成坯和热处理的条件可根据具体情况进行调整。
权利要求
1、一种孔隙率可控的多孔钛制备方法，其特征在于，包含以下步骤(1)将钛粉或钛合金与添加量为1.wt％～4.％的粘结剂充分混合；(2)以尿素颗粒为造孔剂，将造孔剂加入步骤(1)得到的混合物中，所述造孔剂与混合物的体积分数之比为30～80％∶70～20％，总量为100％，并充分混合均匀；(3)然后，将步骤(2)得到的混合物在压力为100MPa～250MPa下，进行粉末单向压制成坯；(4)再将所得到的压坯在真空度保持在10-2～10-3Pa的真空炉中进行热处理，即制得多孔金属构件。
2、 根据权利要求1所述孔隙率可控的多孔钛制备方法，其特征在于，所述粘结剂为 聚乙二醇200、无水乙醇或甲苯。
3、 根据权利要求1所述孔隙率可控的多孔钛制备方法，其特征在于，所述尿素颗粒 的直径为20(Vm 2mm。
4、 根据权利要求1所述孔隙率可控的多孔钛制备方法，其特征在于，所述钛粉为纯 钛或钛合金粉，其细度为200-325目。
5、 根据权利要求1所述孔隙率可控的多孔钛制备方法，其特征在于，所述步骤(4) 的热处理包括去除尿素和粉末烧结两个过程；所述去除尿素时，加热温度需控制在20(TC ~450°C，加热时间为4 6h;所述粉末烧结过程中，粉末烧结温度为1250°C~1300°C，烧结 时间为3~5h。
6、 根据权利要求3所述孔隙率可控的多孔钛制备方法，其特征在于，所述尿素颗粒 采取用1: 5~15的水和无水乙醇的混合溶液中溶解，尿素颗粒与所述混合溶液体积比为1: 5~10;控制尿素颗粒的溶解时间在2 10min，使尿素颗粒溶解逐渐变小，再过滤和干燥。
全文摘要
本发明提供一种孔隙率可控的多孔钛制备方法，包含以下步骤将钛粉与添加量为1.wt％～4.wt％的粘结剂充分混合；以尿素颗粒为造孔剂，将造孔剂加入所述混合物中；所述造孔剂与混合物的体积分数之比为30～80％∶70～20％，充分混合均匀；然后，将得到的混合物在压力为100MPa～250MPa下，进行粉末单向压制成坯；再将所得到的压坯在真空度保持在10^-2～10^-3Pa的真空炉中进行热处理，即制得多孔金属构件。本发明根据加入尿素量的多少，可确定孔隙率根据尿素颗粒的大小200μm～2mm和形状即可确定孔尺寸和孔形状，实现多孔钛的孔隙率、孔尺寸和孔形状均可控的目的；还具有工艺简单，设备要求低，操作方便和成本低的优点。
文档编号C22C1/08GK101353738SQ200810070390
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月26日 优先权日2008年9月26日
发明者吕学伟, 温良英, 牛文娟, 白晨光, 董凌燕, 邱贵宝, 陈登福 申请人:重庆大学