一种低模自润滑钛基复合材料及其制备方法

本发明涉及一种钛基复合材料及其制备方法，尤其涉及一种低模自润滑钛基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、钛及其合金具有较高的比强度及耐腐蚀性能，且拥有良好的生物相容性能，广泛用于制造医疗器械及外科植入物，如心脏内瓣、隔膜、骨关节、固定螺钉、牙及骨植入体等。但钛及钛合金在临床应用中也存在一定的问题，主要有：(1)植入材料与周围组织之间弹性模量不匹配极易造成“应力屏蔽”效应，进而导致钛植入体产生松动及过早失效；(2)植入材料在人体复杂动态的生理环境下磨损较弱易造成磨损离子向周围组织体液中扩散导致组织感染。针对前者，目前主要通过加入nb、zr、ta等β-ti稳定化合金元素形成β-钛合金，从而满足弹性模量的力学性能要求，但也会导致后者耐磨性能的进一步下降。针对后者，目前主要通过陶瓷颗粒优异的硬度及耐磨性而被选为提高钛合金耐磨性的增强相，如金属碳化物(tic)、氮化物(tin)、硼化物(tib、zrb)等，但因陶瓷材料的弹性模量较高，进而导致前者弹性模量的进一步升高。故如何降低弹性模量且提高耐磨性是当前钛和钛合金植入体材料亟需解决的技术难题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明旨在提供一种兼具低模量和优异耐磨性的低模自润滑钛基复合材料，并且，本发明还提供了该钛基复合材料的制备方法。

2、技术方案：本发明所述的低模自润滑钛基复合材料的组织由基体相和原位自润滑相组成，基体相为β-ti，原位自润滑相为mo4.8si3c6和ti5si3，所述β-ti、mo4.8si3c6和ti5si3的质量比为5:2:1-9:2:1。

3、进一步地，所述钛基复合材料按质量百分比计，由以下粉末制备而成：63-94wt％钛基粉末、4-25wt％moc粉末、1-6wt％si粉末和1-8wt％tih2粉末，所述钛基粉末为纯钛、ti6al4v或tinb。

4、本发明所述低模自润滑钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)钛基粉末、moc粉末、si粉末和tih2粉末混合经球磨处理后得复合材料的粉末；

6、(2)将复合材料的粉末铺于选区激光熔化设备的基板上，进行选区激光熔化，即得低模自润滑钛基复合材料。

7、进一步地，步骤(1)中，所述球磨处理采用氩气保护，球磨处理的条件为：球磨温度20-40℃、转速为200-400rpm、球磨时间2-4h。

8、进一步地，步骤(2)中，所述复合材料的粉末的铺粉厚度为20-100μm，选区激光熔化的工艺参数为：高能激光束的功率为250-400w，扫描速度为1000-1800mm/s，基板的预热温度为150-250℃。

9、发明原理：本发明针对现有技术中钛及钛合金存在的低弹性模量与高耐磨性的失配问题，依据钛或钛合金服役性能需求，基于金属材料设计学原理，将特定配比的moc、si和tih2加入钛基体粉末中球磨混合形成复合材料粉末，采用选区激光熔化工艺的高能激光束的加热作用，低熔点的tih2粉末首先分解成氢气为后续的原位反应提供还原气氛，避免后续高温润滑相在形成过程中被氧化；随后钛基粉末熔化及moc分解成mo和c，其中mo元素固溶到钛基体中，与之形成具有低弹性模量的β-ti钛合金，降低钛和钛合金的弹性模量及“应力屏蔽”效应；同时熔池内的钛合金熔体、mo、si和分解的c在基于选区激光熔化的工艺中功率为250-400w的高能激光束产生的高温2100-2400℃下发生原位反应6moc+6si+5ti→mo4.8si3c6+ti5si3，形成原位自润滑相mo4.8si3c6和ti5si3，有效降低钛和钛合金在使用过程中的磨损。

10、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

11、(1)本发明结合了材料设计学原理，通过高能激光束加热作用下的原位反应，不仅促进低弹性模量β-ti钛合金形成，同时也促使原位自润滑相mo4.8si3c6和ti5si3的形成，既有效降低医用钛合金的弹性模量，也显著提高了其在人体复杂生理环境下的耐磨性，实现了钛和钛合金低弹性模量与高耐磨性的适配；

12、(2)本方法中通过添加熔点较低的tih2粉末，在高能激光束加热作用下，低熔点的tih2粉末首先分解成氢气，为后续原位反应创造了还原气氛，避免后续高温润滑相在形成过程中被氧化，为增强钛和钛合金的高耐磨性提供了保障。

技术特征：

1.一种低模自润滑钛基复合材料，其特征在于，所述钛基复合材料的组织由基体相和原位自润滑相组成，基体相为β-ti，原位自润滑相为mo4.8si3c6和ti5si3。

2.根据权利要求1所述的低模自润滑钛基复合材料，其特征在于，所述β-ti、mo4.8si3c6和ti5si3的质量比为5:2:1-9:2:1。

3.根据权利要求1所述的低模自润滑钛基复合材料，其特征在于，所述钛基复合材料按质量百分比计，由以下粉末制备而成：63-94wt％钛基粉末、4-25wt％moc粉末、1-6wt％si粉末和1-8wt％tih2粉末。

4.根据权利要求3所述的低模自润滑钛基复合材料，其特征在于，所述钛基粉末为纯钛、ti6al4v或tinb。

5.一种权利要求1-4所述低模自润滑钛基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的低模自润滑钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述球磨处理采用氩气保护。

7.根据权利要求5所述的低模自润滑钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述球磨处理的条件为：球磨温度为20-40℃、转速为200-400rpm、球磨时间为2-4h。

8.根据权利要求5所述的低模自润滑钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述复合材料的粉末的铺粉厚度为20-100μm。

9.根据权利要求5所述的低模自润滑钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述选区激光熔化的工艺参数为：高能激光束的功率为250-400w，扫描速度为1000-1800mm/s。

10.根据权利要求5所述的低模自润滑钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述基板的预热温度为150-250℃。

技术总结
本发明公开了一种低模自润滑钛基复合材料及其制备方法，钛基复合材料的组织由基体相和原位自润滑相组成，基体相为β‑Ti，原位自润滑相为Mo<subgt;4.8</subgt;Si<subgt;3</subgt;C<subgt;6</subgt;和Ti<subgt;5</subgt;Si<subgt;3</subgt;，制备方法为：(1)钛基粉末、MoC、Si和TiH<subgt;2</subgt;混合经球磨处理后得复合材料的粉末；(2)将复合材料的粉末铺于选区激光熔化设备的基板上，进行选区激光熔化，即得。本发明以钛基粉末、MoC、Si和TiH<subgt;2</subgt;为原料通过选区激光熔化工艺制备钛基复合材料，在熔化工艺中，TiH<subgt;2</subgt;分解为氢气提供还原气氛，MoC分解成Mo和C，其中，Mo固溶到钛基粉末中，形成低模β‑Ti基体相以降低材料的弹性模量及“应力屏蔽”效应；钛基粉末、Mo、Si、C原位反应为自润滑相Mo<subgt;4.8</subgt;Si<subgt;3</subgt;C<subgt;6</subgt;和Ti<subgt;5</subgt;Si<subgt;3</subgt;以减少钛基材料在应用过程中的磨损，从而提高其服役寿命。

技术研发人员：夏木建,罗启欣,张曾旭,郑健文,李年莲,林岳宾,刘爱辉,王华玲,朱雨富
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12