一种多孔金属材料烧结所用胚体的制备方法
【专利摘要】一种多孔金属材料的烧结胚体的制备方法，其特征在于：在孔隙连通的多孔支架上涂覆一层粘性胶体，将金属干粉加压均匀喷吹挤压附着在所述涂覆粘性胶体的多孔支架上。采用本发明方法制得的烧结胚体制备的多孔金属材料，其材料分布均匀、同时孔隙连通性好，可实现100%的三维连通。烧结前不需要进行真空干燥等步骤，大大节约成本。
【专利说明】一种多孔金属材料烧结所用胚体的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种胚体的制备方法，尤其涉及一种多孔金属材料制备中烧结所用胚 体的制备方法。
【背景技术】
[0002] 多孔金属材料应用广泛，如可作为医用植入材料具有治疗骨组织创伤和股骨组织 坏死等重要而特殊的用途，现常见的这类材料有多孔金属不锈钢、多孔金属钛等。作为医用 多孔植入材料，其孔隙最好全部连通与均匀分布，或根据需要孔隙部分连通与均匀分布，使 之既与人体的骨组织生长相一致，又减轻了材料本身的重量，以适合人体植入使用。
[0003] 多孔金属材料基本上是以粉末烧结法为主要的加工方法，具体是采用将金属粉末 配制成浆料在有机泡沫体支架(孔隙连通的海绵体多孔支架）上浸渍制得烧结胚体，然后干 燥、烧结。但采用现有方法制得的烧结胚体用于烧结制备多孔金属材料过程中稍微控制不 好就易导致制得的多孔金属材料均匀性及孔隙连通性不理想、产品合格率不高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种多孔金属材料烧结所用胚体的制备方法，采用该方法 制得的烧结胚体制备得到的多孔金属材料材质均匀、孔隙连通性好。
[0005] 本发明目的通过如下技术方案实现： 一种多孔金属材料烧结所用胚体的制备方法，其特征在于：在孔隙连通的多孔支架上 涂覆一层粘性胶体，将金属干粉加压喷吹挤压附着在所述涂覆粘性胶体的多孔支架上。该 方法制备的烧结胚体经烧结后制得的多孔金属材料均匀性、孔隙连通性好。
[0006] 上述多孔支架优选采用孔隙三维连通的多孔支架，这样使制得的多孔材料分布更 均匀、力学性能等更理想，如聚氨酯海绵体等。
[0007] 上述粘性胶体为纤维素衍生物-醇-水形成的胶体、聚维酮-水形成的胶体、明 胶-水形成的胶体、淀粉-水形成的胶体、聚乙二醇-水形成的胶体、蔗糖-水形成胶体溶 液、海藻酸钠-水形成的胶体。
[0008] 上述纤维素衍生物包括甲基纤维素、羟丙纤维素、羟丙甲纤维素、羟甲基纤维素 纳、乙基纤维素等。
[0009] 上述金属干粉根据制备需要可以是钛粉、铌粉、铜粉、钽粉、铁粉等金属粉末。 为了进一步提高金属干粉在上述多孔支架上的附着紧密度，将上述金属干粉加压喷吹 采用的压力为130_175Mpa ;更进一步优选地，控制金属干粉的流速为220-350cm3/分钟。 [0010] 本发明具有如下有益效果： 采用本发明方法制得的烧结胚体制备的多孔金属材料，其材料分布均匀、同时孔隙连 通性好，可实现100%的三维连通。制备工艺简单，烧结前不需要进行真空干燥等步骤，大大 节约成本。
【具体实施方式】 toon] 下面通过实例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实例只用于对 本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可 以根据上述
【发明内容】
对本发明做出一些非本质的改进和调整。
[0012] 实施例1 一种多孔金属材料的烧结胚体的制备方法，在10X 10X 25mm多孔聚氨酯泡沫(平均孔 径为0. 56mm，密度0. 030g/cm3,硬度60°)上涂覆一层淀粉-水胶体；将钽粉加压均匀喷吹挤 压附着在所述涂覆粘性胶体的多孔聚氨酯泡沫上得到烧结胚体；将上述金属干粉加压喷吹 采用的压力为130_145Mpa ;控制金属干粉的流速为220-250cm3/分钟。
[0013] 将上述制得的烧结胚体进行脱脂、烧结等工艺如下： 脱脂处理：真空度低于IX l(T3Pa，温度800°C，保温时间2h。真空烧结：在真空炉中烧 结，烧结温度2100°C，保温4小时，真空度1 X 10_4Pa，烧结过程充氩气保护，取出产品后去除 表面灰尘及污物，制得的样品再进行常规的后处理得多孔钽成品，成品率高达95%。
[0014] 发明人按 GB/T5163-2006、GB/T5249-1985、GB/T6886-2001 等标准对上述多孔钽 成品的多孔材料密度、孔隙度、孔径及各种力学性能进行检测：该多孔钽具有完全三维连通 分布，其孔隙分布均匀且连通，密度5. Og/cm3,孔隙度66%，孔隙平均直径220 μ m.且力学性 能优异：弹性模量4. 5GPa，屈服强度70MPa，抗压强度85MPa，硬度140MPa，塑性变形量11%， 抗拉强度65MPa。
[0015] 实施例2 一种多孔金属材料的烧结胚体的制备方法，在10X 10X 25mm多孔聚氨酯泡沫(平均孔 径为0. 56mm，密度0. 030g/cm3,硬度60°)上涂覆一层羟丙纤维素-醇-水形成的胶体；将铌 粉加压均匀喷吹挤压附着在所述涂覆粘性胶体的多孔聚氨酯泡沫上得到烧结胚体；将上述 金属干粉加压喷吹采用的压力为150_160Mpa ;控制金属干粉的流速为340-350cm3/分钟。
[0016] 将上述制得的烧结胚体进行脱脂、烧结等工艺如下： 将得到烧结胚体置于钨器中放入非氧化气氛炉中以一定的升温速率升温至800°c，保 护气氛为99. 999%氩气进行脱脂处理，其在升温之前先通入氩气至少0. 5h以排除炉内空 气，控温过程：以l°C/min的速率从室温升至400°C，保温0. 5h，氩气通入速率0. 5L/min ;以 0. 5°C /min的速率从400°C升至800°C，保温2h，氩气通入速率lL/min ;再关闭电源，脱脂后 的样品随炉冷却，氩气通入速率lL/min，直至冷却至室温时关闭氩气； 对于脱脂处理后的样品随钨器置于高真空高温烧结炉内以一定的升温速率升温至 1800°C进行真空烧结，在升温之前烧结炉的真空度至少要达到1 X 10_3Pa，以10?15°C /min 的速率从室温升至900°C，保温0. 5h，真空度为1 X 10_4Pa ;以10°C /min的速率升至1300°C， 保温0. 5h，真空度为lX10_4Pa?lX10_3Pa ;以6°C /min的速率升至1800°C，保温2h，真 空度为1 X l(T3Pa ;烧结完毕，真空度为1 X 10_4Pa?1 X 10_3Pa ;以15°C /min的速率冷却至 1300°C，保温lh ;以20°C /min的速率冷却至800°C，保温1. 5h，然后随炉冷却； 对于真空烧结冷却后的样品随刚玉容器置于真空退火炉中以一定的升温速率升温 至1000°C进行去应力退火处理，在升温之前退火炉内的真空度至少要达到1 X l(T3Pa，以 22°C /min的速率从室温升至1000°C，保温4h，真空度为1 X 10_4Pa?1 X 10_3Pa ;再以15°C / min的速率冷却至800°C，保温1.5h，真空度为lXl(T4Pa?lXl(T3Pa ;以16°C /min的速 率冷却至600°C，保温lh，真空度为1 X 10_4Pa ;以20°C /min的速率冷却至室温，真空度为 lXl(T4Pa。最后进行常规后处理制得多孔铌。
[0017] 采用上述方法制得的多孔铌成品具有孔隙完全三维连通分布的结构，铌粉颗粒相 互间具有烧结颈结构。且该多孔铌成品微观结构中铌粉颗粒间形成的烧结颈结构超过80%。
[0018] 发明人按 GB/T5163-2006、GB/T5249-1985、GB/T6886-2001 等标准对上述多孔铌 成品的多孔材料密度、孔隙度、孔径及各种力学性能进行检测：该多孔铌为具有完全三维连 通分布的孔隙结构，其孔隙分布均匀且连通，其杂质含量低于〇. 15%的成品，其孔隙分布均 匀且连通，密度2. 05g/cm3,孔隙度77. 2%，孔隙平均直径270 μ m，弹性模量2. 5GPa，屈服强 度65MPa，抗压强度70MPa，硬度140MPa，塑性变形量12. 4%，抗拉强度57MPa，断后延展率 11. 7% ;按金属弯曲强度测量的方法进行抗弯测试时，该多孔铌微观结构中烧结颈的断裂率 小于40%，颗粒内部的断裂率大于60%。
[0019] 实施例3 一种多孔金属材料的烧结胚体的制备方法，在10X 10X 25mm多孔聚氨酯泡沫(平均孔 径为0. 56mm，密度0. 030g/cm3,硬度60°)上涂覆一层聚维酮Κ3(Γ水形成的胶体；将钽粉加 压均匀喷吹挤压附着在所述涂覆粘性胶体的多孔聚氨酯泡沫上得到烧结胚体；将上述金属 干粉加压喷吹采用的压力为165-175Mpa ;控制金属干粉的流速为280-300cm3/分钟。
[0020] 将上述制得的烧结胚体进行脱脂、烧结等工艺如下： 脱脂处理：在惰性气体保护气氛下或真空度低于1 X l(T3Pa，温度400°C?800°C，并保 温时间1. 5?3小时； 真空烧结：真空度lXl(T4Pa?lX10_3Pa，温度1700?1800°C，保温时间3?5小时， 烧结过程保温时充氩气或其它惰性气体保护，以得到多孔材料； 真空退火：经过真空烧结后继续保持温度处于900?1100°C，保温时间1?3小时，真 空度低于1 X l〇_3Pa，以进行去应力退火处理；制得的样品再进行常规的后处理得多孔钽成 品。
[0021] 发明人按 GB/T5163-2006、GB/T5249-1985、GB/T6886-2001 等标准对上述多孔钽 成品的多孔材料密度、孔隙度、孔径及各种力学性能进行检测：该多孔钽为具有三维连通分 布的孔隙结构，其孔隙分布均匀且连通，其杂质含量低于〇. 3%的成品，其孔隙分布均匀且 连通，密度2. 0?4. 2g/cm3,孔隙度介于51. 0?77. 7%，孔隙平均直径200?500 μ m ;弹性 模量0. 8?2. OGPa，屈服强度35?60MPa，抗压强度35?65MPa，硬度100?200MPa，塑性 变形量9. 4%?17. 3%，抗拉强度20?45 MPa，断后延展率9. 3%?14. 7% ;按金属弯曲强度 测量的方法进行抗弯测试时，该多孔铌微观结构中烧结颈的断裂率小于45%，颗粒内部的断 裂率大于55%。
[0022] 实施例4 一种多孔金属材料的烧结胚体的制备方法，在10X 10X 25mm多孔聚氨酯泡沫(平均孔 径为0. 56mm，密度0. 030g/cm3,硬度60°)上涂覆一层明胶-水形成的胶体；将铌粉加压均匀 喷吹挤压附着在所述涂覆粘性胶体的多孔聚氨酯泡沫上得到烧结胚体；将上述金属干粉加 压喷吹采用的压力为140_155Mpa ;控制金属干粉的流速为240-250cm3/分钟。
[0023] 将上述制得的烧结胚体进行脱脂、烧结等工艺如下： 脱脂处理：真空度IX ΚΓ4 Pa?IX 10_3Pa，温度500°C，保温时间2h。真空烧结：在真 空炉中烧结，烧结温度1750°C，保温4小时，真空度1 X 10_4Pa，烧结过程充氩气保护，冷却出 炉，去除产品表面灰尘及污物，制得的样品再进行常规的后处理得多孔铌成品。
[0024] 发明人按 GB/T5163-2006、GB/T5249-1985、GB/T6886-2001 等标准对上述多孔铌 成品的多孔材料密度、孔隙度、孔径及各种力学性能进行检测：该多孔铌为具有三维连通分 布的孔隙结构，其孔隙分布均匀且连通，其杂质含量低于〇. 5%的成品，其孔隙分布均匀且 连通，密度2. 2g/cm3,孔隙度74%，孔隙平均直径400 μ m，弹性模量1. 5GPa，屈服强度50MPa， 抗压强度60MPa，硬度lOOMPa，塑性变形量17. 3%，抗拉强度42MPa，断后延展率14. 6% ;按金 属弯曲强度测量的方法进行抗弯测试时，该多孔铌微观结构中烧结颈的断裂率小于43%，颗 粒内部的断裂率大于57%。 实施例5 一种多孔金属材料的烧结胚体的制备方法，在10X 10X 25mm多孔聚氨酯泡沫(平均孔 径为0. 56mm，密度0. 030g/cm3,硬度60°)上涂覆一层PEG4000-水形成的胶体；将钽粉加压 均匀喷吹挤压附着在所述涂覆粘性胶体的多孔聚氨酯泡沫上得到烧结胚体；将上述金属干 粉加压喷吹采用的压力为158-165Mpa ;控制金属干粉的流速为270-280cm3/分钟。
[0025] 将上述制得的烧结胚体进行脱脂、烧结等工艺如下： 脱脂处理：真空度低于lXl(T3Pa，温度700°C，保温时间1. 5h。真空烧结：在真空炉中 烧结，烧结温度1700°C，保温3. 5小时，真空度lX10_3Pa，烧结过程充氩气保护，冷却出炉， 去除产品表面灰尘及污物，制得的样品再进行常规的后处理得多孔钽成品。
[0026] 发明人按 GB/T5163-2006、GB/T5249-1985、GB/T6886-2001 等标准对上述多孔钽 成品的多孔材料密度、孔隙度、孔径及各种力学性能进行检测：该多孔钽为具有三维连通分 布的孔隙结构，其孔隙分布均匀且连通，其杂质含量低于〇. 3%的成品，其孔隙分布均匀且 连通，密度4. 2g/cm3,孔隙度51%，孔隙平均直径300 μ m，弹性模量1. OGPa，屈服强度50MPa， 抗压强度40MPa，硬度150MPa，塑性变形量17. 2%，抗拉强度35MPa，断后延展率14. 5% ;按金 属弯曲强度测量的方法进行抗弯测试时，该多孔钽微观结构中烧结颈的断裂率小于35%，颗 粒内部的断裂率大于65%。
[0027] 实施例6 一种多孔金属材料的烧结胚体的制备方法，在10X 10X 25mm多孔聚氨酯泡沫(平均孔 径为0. 56mm，密度0. 030g/cm3,硬度60°)上涂覆一层蔗糖-水形成的胶体；将铌粉加压均匀 喷吹挤压附着在所述涂覆粘性胶体的多孔聚氨酯泡沫上得到烧结胚体；将上述金属干粉加 压喷吹采用的压力为168-173Mpa ;控制金属干粉的流速为320-330cm3/分钟。
[0028] 将上述制得的烧结胚体进行脱脂、烧结等工艺如下： 脱脂处理：真空度低于IX l(T3Pa，温度800°C，保温时间6h。真空烧结：在真空炉中烧 结，烧结温度1800°C，保温4小时，真空度1 X 10_4Pa，烧结过程充氩气保护，取出产品后去除 表面灰尘及污物，制得的样品再进行常规的后处理得多孔铌成品。
[0029] 发明人按 GB/T5163-2006、GB/T5249-1985、GB/T6886-2001 等标准对上述多孔铌 成品的多孔材料密度、孔隙度、孔径及各种力学性能进行检测：该多孔铌为具有三维连通分 布的孔隙结构，其孔隙分布均匀且连通，其杂质含量低于〇. 3%的成品，其孔隙分布均匀且 连通，密度3g/cm3,孔隙度65%，孔隙平均直径200 μ m，弹性模量1. 5GPa，屈服强度50MPa，抗
【权利要求】
1. 一种多孔金属材料烧结所用胚体的制备方法，其特征在于：在孔隙连通的多孔支架 上涂覆一层粘性胶体，将金属干粉加压均匀喷吹挤压附着在所述涂覆粘性胶体的多孔支架 上。
2. 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述多孔支架采用孔隙三维连通的多 孔支架。
3. 如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述多孔支架为聚氨酯海绵体。
4. 如权利要求1-3任一所述的制备方法，其特征在于：所述粘性胶体为纤维素衍生 物-醇-水形成的胶体、聚维酮-水形成的胶体、明胶-水形成的胶体、淀粉-水形成的胶 体、聚乙二醇-水形成的胶体、蔗糖-水形成胶体溶液或/和海藻酸钠-水形成的胶体。
5. 如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述纤维素衍生物包括甲基纤维素、羟 丙纤维素、羟丙甲纤维素、羟甲基纤维素钠或乙基纤维素。
6. 如权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于：将所述金属干粉加压喷吹采 用的压力为130-175Mpa ;控制所述金属干粉的流速为220-350cm3/分钟。
【文档编号】B22F3/11GK104099489SQ201310126342
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月12日 优先权日:2013年4月12日
【发明者】叶雷 申请人:重庆润泽医药有限公司