一种超高强韧性多孔Ti基记忆合金复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超高强韧性多孔Ti基记忆合金复合材料及其制备方法；首先把球磨后的TiH2‑

【技术实现步骤摘要】
一种超高强韧性多孔Ti基记忆合金复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及记忆合金复合材料，尤其涉及一种超高强韧性多孔Ti基记忆合金复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]医用金属材料因具有较高的力学性能(包括高的断裂强度与抗疲劳性能)，成为临床应用最为广泛的承力植入材料。目前临床使用的医用金属植入材料包括医用不锈钢、钴基合金、钛合金及纯金属(如锆、铌、钽)等。同时，骨植入体还需要有良好的生物相容性和生物力学性能，以保证骨植入体的治疗效果和长期安全可靠性。
[0003]近年来发展起来的多孔β相Ti基记忆合金(Ti
‑
Nb基、Ti
‑
Mo基和Ti
‑
Ta基合金)不但继承了致密Ti基记忆合金良好的生物相容性和独特的超弹性特性，同时，孔隙结构的引入可以有效降低合金的弹性模量，解决植入体与人体骨因弹性模量不匹配而引起的“应力屏蔽”问题，有助于骨组织的长入和植入体的固定。
[0004]因此，多孔β相Ti基记忆合金成为更有医用潜力的新型硬组织替代材料。人体骨(包括皮质骨和松质骨)的孔隙率在30
‑
90％的范围内，然而目前能满足人体骨压缩强度要求的多孔Ti基记忆合金的孔隙率都未超过40％。超过40％的孔隙率会使多孔Ti基记忆合金的强度大幅降低，低于骨植入材料强度要求(＞200MPa)，同时韧性变差，限制了高孔隙率多孔Ti基记忆合金作为骨植入材料的应用。有文献报道，孔隙率为50％的多孔钛基记忆合金的压缩强度约为150MPa，仅为致密基体压缩强度的七分之一，且韧性下降约17％。因此，需要设法提升高孔隙率Ti基记忆合金的强度和韧性，这是医用高孔隙率Ti基记忆合金急需要解决的关键问题。
[0005]有研究报道，通过添加高强纤维作为增强体可有效提升多孔材料的强度。
[0006]例如通过渗流法制备的高孔隙率铝合金/铝芯氧化铝纤维复合泡沫材料，其中添加5％(体积比)氧化铝纤维，孔隙率为82％的复合泡沫材料的屈服强度提高了448％，断裂韧性也明显提升。利用立体编织技术制造的纤维正交分布的纤维增强仿生人工骨陶瓷复合材料，其孔隙率约为64％，压缩强度可达30MPa，远高于未添加纤维的仿生人工骨(约6MPa)。可见通过添加高强纤维增强多孔材料是具有显著效果的。
[0007]目前，在航空航天领域对Mo
f
/Ti复合材料的大量研究和成功应用的经验表明，具有高强度且耐高温的Mo纤维对于致密态钛合金的强度和韧性有明显提升作用。
[0008]例如采用真空热压法制备的Mo
f/
/TiAl复合材料在室温下的屈服强度高达1148MPa，比基体的屈服强度提高了近90％，复合材料的断裂韧性相较于基体提升近一倍。
[0009]同时，Mo元素具有良好的生物相容性。因此，选择Mo纤维对医用多孔Ti基记忆合金进行增强增韧处理是可行的。迄今为止，尚未见到利用Mo纤维增强多孔Ti基合金的相关报道，迫切需要开发出利用Mo纤维增强高孔隙率Ti基记忆合金复合材料的制备方法，提升高孔隙率Ti基记忆合金的强度与韧性，以满足高孔隙率Ti基记忆合金作为人体硬组织修复与替换材料的力学性能要求。
[0010]本专利技术提供一种超高强韧性多孔Ti基记忆合金复合材料及其制备方法，解决了传统医用高孔隙率Ti基记忆合金强度低、韧性差的难题。
[0011]本专利技术所制备的多孔Ti基复合材料压缩强度高达700MPa，压缩应变提升至60％以上，力学性能得到全面显著提升，且制备工艺简单、成本低廉，易于工业化生产。
[0012]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0013]一种超高强韧性多孔Ti基记忆合金复合材料的制备方法，其特征在于包含以下操作步骤：
[0014]步骤一：将TiH2，ZrH2和Nb粉末球磨处理，将Mo纤维进行裁剪；
[0015]步骤二：将处理好的TiH2，ZrH2和Nb粉末和Mo纤维，混合；
[0016]步骤三：将步骤二中的Mo/TiH2‑
Nb
‑
ZrH2混合粉体与造孔剂(碳酸氢铵颗粒)按照一定重量比混合，并在混粉机上以一定速度混合一段时间。
[0017]步骤四：将Mo/TiH2‑
Nb
‑
ZrH2/造孔剂混合粉体在液压机上冷压成型，得到生胚；
[0018]步骤五：将生胚放入真空烧结炉中升温和烧结，随炉冷却。
[0019]步骤六：将烧结样品进行固溶处理。
[0020]步骤一中，以原子百分数计，TiH2，ZrH2和Nb粉末的纯度均大于99.5％；Mo丝中Mo含量≥99.3％。
[0021]步骤一中，处理是指：将高纯TiH2，ZrH2和Nb粉末用等离子放电球磨机球磨8h以上；Mo纤维长度裁剪至小于12mm。
[0022]步骤三中，Mo纤维直径为30μm，与Mo/TiH2‑
Nb
‑
ZrH2和造孔剂的混合粉末的体积比不超过5％；混粉机的转速不超过200r/min，混合时间不超过30min。
[0023]步骤三中，造孔剂与Mo/TiH2‑
Nb
‑
ZrH2混合粉体的重量比大于30％，混粉机的转速小于100r/min，混合时间5～10min。
[0024]步骤四中，生胚的冷压成型压力为300～660MPa，保压时间5～30min。
[0025]步骤五中，将生胚放入真空烧结炉中升温和烧结，随炉冷却，具体是指：在0～200℃区间打开真空泵，以5℃/min升温速率在10
‑3Pa真空下快速升温，在生坯脱氢温度200～800℃区间关闭真空泵并在H2气氛下以2℃/min升温速率缓慢升温至800℃，在800℃保温1h；之后在800～1100℃区间再次打开真空泵，以5℃/min升温速率在10
‑3Pa真空下快速升温至1100℃，在1100℃真空烧结5h，随炉冷却。
[0026]步骤六中，将烧结样品进行固溶处理，具体是指：将烧结样品密封在玻璃管中，在氩气保护下进行固溶处理，固溶处理温度为900℃，保温时间为1h，之后在冰水中快速冷却。
[0027]上述方法制备的Mo
f
/多孔Ti基记忆合金复合材料的孔隙率高于50％，相较于相同孔隙率下未添加Mo纤维的多孔样品，压缩强度从180MPa提升至700MPa，提升了近300％，压缩应变从25％提升至60％以上，力学性能得到全面显著提升。作为人体硬组织修复和替换材料具有极大的应用潜力。
[0028]本专利技术的原理：Mo纤维可以将高孔隙率Ti基合金的多个单独的孔有机地连接起来，当多孔合金受力变形时，孔壁可以将应力传递到高强度的Mo纤维上，Mo纤维起到抵抗应力的作用，并阻碍裂纹在基体中的扩展，提升了多孔合金孔壁基体抵抗应力的能力，以及促进多孔合金进入致密化阶段，从而大幅提升了多孔合金的强度。同时，纤维的拔出以及纤维对裂纹扩展的偏转作用对多孔合金的韧性也有明显提高效果。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超高强韧性多孔Ti基记忆合金复合材料的制备方法，其特征在于包含以下操作步骤：步骤一：将TiH2，ZrH2和Nb粉末球磨处理，将Mo纤维进行裁剪；步骤二：将处理好的TiH2，ZrH2和Nb粉末和Mo纤维，混合；步骤三：将步骤二中的Mo/TiH2‑
Nb
‑
ZrH2混合粉体与造孔剂按照重量比混合，并在混粉机上混合；步骤四：将Mo/TiH2‑
Nb
‑
ZrH2/造孔剂混合粉体在液压机上冷压成型，得到生胚；步骤五：将生胚放入真空烧结炉中升温和烧结，随炉冷却；步骤六：将烧结样品进行固溶处理。2.根据权利要求1所述超高强韧性多孔Ti基记忆合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，以原子百分数计，TiH2，ZrH2和Nb粉末的纯度均大于99.5％；Mo丝中Mo含量≥99.3％。3.根据权利要求1所述超高强韧性多孔Ti基记忆合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，处理是指：将高纯TiH2，ZrH2和Nb粉末用等离子放电球磨机球磨8h以上。4.根据权利要求1所述超高强韧性多孔Ti基记忆合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，Mo纤维长度裁剪至小于12mm。5.根据权利要求1所述超高强韧性多孔Ti基记忆合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中，Mo纤维直径为30μm，与Mo/TiH2‑
Nb
‑
ZrH2和造孔剂的混合粉末的体积比不超过5％；混粉机的转速不超过200r/min，混合时间不超过...

【专利技术属性】
技术研发人员：高岩，吴明刚，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：