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一種快速制備醫(yī)用鈦合金的方法

文檔序號:9745360閱讀:636來源:國知局
一種快速制備醫(yī)用鈦合金的方法
【專利說明】
[0001 ] 技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種醫(yī)用鈦合金,具體來說是一種快速制備醫(yī)用鈦合金的方法。
[0002]【背景技術(shù)】:
鈦是20世紀50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬。鈦合金具有較高的強度、良好的耐腐蝕性、耐熱性等特點而被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。隨著社會的發(fā)展和科技的進步,醫(yī)療健康成為越來越得到廣泛的關(guān)注。鈦與鈦合金具有高比強度、較低彈性模量、良好的耐腐蝕性和優(yōu)良的生物相容性,逐漸成為醫(yī)學(xué)臨床中人體硬組織修復(fù)與替代的理想結(jié)構(gòu)材料。
[0003]目前通常采用熔煉的方法制備鈦合金鑄錠,再經(jīng)過鍛造、乳制等若干機械過程加工成型,直至最終成為產(chǎn)品;在熱加工過程中,鈦合金極易氧化,以及常規(guī)的切削加工造成了材料的浪費,導(dǎo)致最終鈦合金產(chǎn)品價格的升高,限制了鈦合金的應(yīng)用與推廣。
[0004]傳統(tǒng)的粉末冶金方法是將原始粉末混合均勻,壓制成型,并置于電爐中高溫?zé)Y(jié)成各種形狀的金屬塊體材料。然而鈦在高溫?zé)Y(jié)時極易氧化,且長時間高溫?zé)Y(jié)后獲得的合金晶粒粗大,力學(xué)性能較差,粉末高溫?zé)Y(jié)制備鈦合金材料受到很大限制。
[0005]高能球磨法制備合金粉末是用球磨機實現(xiàn)固態(tài)合金化的過程,它通過機械研磨過程中高速運行的硬質(zhì)球與研磨體之間相互碰撞,使粉末經(jīng)受反復(fù)的變形、破碎、熔裂,從而達到元素間原子水平合金化的復(fù)雜物理化學(xué)變化。高能球磨法制備的合金粉末顆粒細小,活性大,易于燒結(jié)。
[0006]放電等離子體燒結(jié)技術(shù)(Spark Plasma Sintering,SPS)利用上、下模沖及通電電極將特定燒結(jié)電源,在粉末顆粒間直接通入脈沖電流進行加熱燒結(jié),同時將壓制壓力施加于燒結(jié)粉末。這種燒結(jié)過程是顆粒放電、導(dǎo)電加熱和加壓綜合作用的結(jié)果。除加熱和加壓這兩個促進燒結(jié)的因素外,在SPS技術(shù)中,顆粒間的有效放電可產(chǎn)生局部高溫,可以使表面局部熔化、表面物質(zhì)剝落;高溫等離子的濺射和放電沖擊清除了粉末顆粒表面雜質(zhì)(如去處表面氧化物等)和吸附的氣體,電場的作用是加快擴散過程。放電等離子體燒結(jié)技術(shù)具有升溫速度快、燒結(jié)時間短,有利于控制燒結(jié)體的細微結(jié)構(gòu);設(shè)備操作簡單、安全可靠、節(jié)省空間與能源及成本低諸多優(yōu)點。
[0007]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供了一種快速制備醫(yī)用鈦合金的方法,所述的這種快速制備醫(yī)用鈦合金的方法解決了現(xiàn)有技術(shù)的方法制備得到的醫(yī)用鈦合金力學(xué)性能差、鈦合金容易氧化的技術(shù)問題。
[0008]本發(fā)明提供一種快速制備生物醫(yī)用鈦合金的方法,其特征在于包括以下步驟:
1)稱取Ti粉、Nb粉和Zr粉,所述的Ti粉、Nb粉和Zr粉的摩爾比為68.0?74.0: 24.0?
28.0:2?4 ;將!1粉、Nb粉和Zr粉混合;
2)將步驟I)的混合物,磨球放入球磨罐中,并加入保護氣體進行球磨,球磨時間為10?20小時,得到鈦合金粉末;
3)將步驟2)所得的鈦合金粉末裝入模具,進行預(yù)壓,預(yù)壓時間為20?30min,壓力為80?100 MPa;然后將裝有粉末的模具放置于放電等離子體燒結(jié)設(shè)備中進行放電等離子體燒結(jié),燒結(jié)條件為:壓力50?60 MPa,真空度小于5 Pa,升溫速度80?100 °C/min,燒結(jié)溫度為800?1100 °C,保溫時間為10?20 min,得到生物醫(yī)用鈦合金。
[0009]進一步的,所述的步驟2)中,球磨過程的球料比為10:1,保護氣體為高純氬氣,球磨轉(zhuǎn)速為250?350 rpm。
[0010]進一步的,所述的Ti粉、Nb粉和Zr粉的摩爾比為36:13:1。
[0011]進一步的,所述的Ti粉、Nb粉和Zr粉的摩爾比為37:12:1。
[0012]本發(fā)明以原始T1、Nb和Zr粉末為原料,通過高能球磨制備鈦合金粉末,并通過預(yù)壓、放電等離子體燒結(jié)制備塊體鈦合金。
[0013]本發(fā)明和已有技術(shù)相比,其技術(shù)進步是顯著的。本發(fā)明提供的放電等離子體燒結(jié)制備鈦合金的方法操作簡單,耗時短,能耗低,節(jié)省原材料;制得的鈦合金塊體,致密度高,具有低彈性模量和高強度的特點;可根據(jù)通過改變模具制備各種形狀的制品,具有良好的推廣價值。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明實施例1制備的鈦合金的XRD圖譜。
[0015]圖2是本發(fā)明實施例1制備的鈦合金的光學(xué)顯微圖像,(a)100倍(b)400倍。
[0016]圖3是本發(fā)明實施例2制備的鈦合金的XRD圖譜。
【具體實施方式】
[0017]下面對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅是本發(fā)明的一部分實施例,本發(fā)明的內(nèi)容并不僅僅局限于下面的實施例。
[0018]實施例1
將Ti粉、Nb粉和Zr粉按36:13:1的摩爾比進行配料,初步混合;將初步混合后的原料、磨球按質(zhì)量比1:10稱量放入球磨罐中,并充入高純氬氣;使用行星球磨機球磨10小時;在手套箱中取出粉末,置于石墨模具中壓實;將裝有粉末的石墨模具放于放電等離子體燒結(jié)設(shè)備中,抽真空至5Pa,施加預(yù)壓壓力90 MPa,保持20min后,開始燒結(jié);調(diào)節(jié)壓力至60 MPa,升溫速度為100°C/min,燒結(jié)溫度為900 0C,保溫時間為1min;隨后停止加熱,試樣冷卻至室溫取出。最終獲得鈦合金以具有體心立方的β相為主,并含有少量V ^使用密度天平測得的樣品密度為5.640 g/cm3,(熔煉制備的同成分樣品密度為5.684 g/cm3),致密度為99.2%??箟簭姸葹?025.2 土 21.2MPa,壓縮楊氏模量為43.1 土 4.17 GPa0
[0019]
實施例2:
將Ti粉、Nb粉和Zr粉按37:12:1的摩爾比進行配料,初步混合;將初步混合后的原料、磨球按質(zhì)量比1:10稱量放入球磨罐中,并充入高純氬氣;使用行星球磨機球磨10小時;在手套箱中取出粉末,置于石墨模具中壓實;將裝有粉末的石墨模具放于放電等離子體燒結(jié)設(shè)備中,抽真空至5Pa,施加預(yù)壓壓力70 MPa,保持30min后,開始燒結(jié);調(diào)節(jié)壓力至50 MPa,升溫速度為100°C/min,燒結(jié)溫度為1100 °C,保溫時間為1min;隨后停止加熱,試樣冷卻至室溫取出。最終獲得鈦合金以具有體心立方的β相,使用密度天平測得的樣品密度為5.560 g/cm3,(熔煉制備的同成分樣品密度為5.561 g/cm3),致密度接近100%??箟簭姸葹?83.5 土17.6 MPa,壓縮楊氏模量為41.6 土 3.68 GPa。
【主權(quán)項】
1.一種快速制備生物醫(yī)用鈦合金的方法,其特征在于包括以下步驟: 1)稱取Ti粉、Nb粉和Zr粉,所述的Ti粉、Nb粉和Zr粉的摩爾比為68.0?74.0: 24.0?28.0:2?4 ;將!1粉、Nb粉和Zr粉混合; 2)將步驟I)的混合物,磨球放入球磨罐中,并加入保護氣體進行球磨,球磨時間為10?20小時,得到鈦合金粉末; 3)將步驟2)所得的鈦合金粉末裝入模具,進行預(yù)壓,預(yù)壓時間為20?30min,壓力為80?100 MPa;然后將裝有粉末的模具放置于放電等離子體燒結(jié)設(shè)備中進行放電等離子體燒結(jié),燒結(jié)條件為:壓力50?60 MPa,真空度小于5 Pa,升溫速度80?100 °C/min,燒結(jié)溫度為800?1100 °C,保溫時間為10?20 min,得到生物醫(yī)用鈦合金。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速制備生物醫(yī)用鈦合金的方法,其特征在于:所述的步驟2)中,球磨過程的球料比為10:1,保護氣體為高純氬氣,球磨轉(zhuǎn)速為250?350 rpm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速制備生物醫(yī)用鈦合金的方法,其特征在于:所述的Ti粉、Nb粉和Zr粉摩爾比為36:13:lo4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速制備生物醫(yī)用鈦合金的方法,其特征在于:所述的Ti粉、Nb粉和Zr粉摩爾比為37:12:lo
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種快速制備生物醫(yī)用鈦合金的方法,稱取Ti粉、Nb粉和Zr粉,將Ti粉、Nb粉和Zr粉混合;將上述的混合物、磨球放入球磨罐中,并加入保護氣體進行球磨,得到鈦合金粉末;將所得的鈦合金粉末裝入模具,進行預(yù)壓;然后將裝有粉末的模具放置于放電等離子體燒結(jié)設(shè)備中進行放電等離子體燒結(jié),得到生物醫(yī)用鈦合金。本發(fā)明提供的放電等離子體燒結(jié)制備鈦合金的方法操作簡單,耗時短,能耗低,節(jié)省原材料;制得的鈦合金塊體,致密度高,具有低彈性模量和高強度的特點;可根據(jù)通過改變模具制備各種形狀的制品,具有良好的推廣價值。
【IPC分類】C22C14/00, B22F3/105, C22C1/04
【公開號】CN105506375
【申請?zhí)枴緾N201510971935
【發(fā)明人】李強, 馬廣昊, 劉旭燕, 潘登
【申請人】上海理工大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年12月22日
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