医用多孔钛合金的制备方法研究进展(3)
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【摘要】2.2 凝胶注模成形法 凝胶注模成形法在新型陶瓷及金属材料的成形方面应用广泛。该工艺通过制备低黏度、高固相体积分数的浆料,再将浆料中有机单体聚
2.2 凝胶注模成形法
凝胶注模成形法在新型陶瓷及金属材料的成形方面应用广泛。该工艺通过制备低黏度、高固相体积分数的浆料,再将浆料中有机单体聚合使浆料原位凝固,从而获得高密度、高强度、均匀性好的坯体,坯体经干燥、排胶和烧结等工序后,可直接制备出复杂形状的近净尺寸部件[9,34]。该方法中影响多孔β钛合金孔隙特征及力学性能的参数主要是浆料的固相含量。
李艳等[35]用固相含量为34%(体积分数)的浆料制备出孔隙度为46.5%的多孔钛植入材料,其抗压强度为158.6 MPa,杨氏模量为8.5 GPa,与自然骨基本匹配。杨栋华等[36]在浆料中添加7.5%大颗粒结晶Mo粉,制备出由分布均匀的α-Ti和β-Ti组成的多孔Ti-7.5Mo合金。研究发现,随固相含量从31%增加到35%时,多孔Ti-7.5Mo合金的压缩强度从142 MPa升高到258 MPa,弹性模量从11 GPa升高到18 GPa,性能明显优于相同工艺成形的多孔纯钛(压缩强度158.6 MPa,弹性模量8.5 GPa)。杨栋华等[37]用固相体积分数为33%的浆料制备出多孔Ti-8%Co合金,其孔隙率为50%,压缩强度为68~378 MPa,抗弯强度为53.68~169.17 MPa,弹性模量为7~21 GPa。与多孔纯钛比较,多孔Ti-8%Co合金具有更优的力学性能,且与人体骨组织的适应性很好。
凝胶注模法成形坯体的组织结构均匀、缺陷少、易成形、孔隙度可控,适用于制备形状较复杂、尺寸大的制品,在高孔隙率植入件的制备方面有很好的发展前景,但是该方法对浆料的性能要求较高,工艺过程较复杂。
2.3 激光快速成形技术
激光快速成形技术也称作增材制造技术,在航空航天、医疗及武器装备等诸多领域有着广泛应用。该技术主要分为激光选区烧结技术(SLS)、激光近净成形技术(LENS)、电子束熔化成形技术(EBM)、激光选区熔化技术(SLM)[38-39]。
Xie等[40]采用SLS技术制备出多孔Ti-10Mo合金材料,发现保持烧结温度为1 200 ℃,烧结时间从2 h增加到6 h,β相逐步增多,孔隙率从70%降低到40%,弹性模量从10 GPa增加到20 GPa,屈服强度从180 MPa增加到260 MPa。颉芳霞等[41]发现,随着烧结温度在1 000~1 200 ℃的范围内增大,多孔Ti-6Mo合金材料中的β相体积分数少量增加,且α析出物缓慢长大,孔隙率从58%降低到24%,弹性模量和屈服强度分别在2.07~11.9 GPa和31.4~152.8 MPa范围内增大。Liu等[42]采用不同激光快速成形技术制备多孔β Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金。研究发现,采用EBM技术,在高的粉床温度(500 ℃)和相对低的缓慢冷却速率下,形成α+β相,多孔样品的弹性模量为1.34 GPa,压缩强度为45 MPa;而采用SLM技术,低基板温度(200 ℃)和高冷却速率导致形成纤细的β相,多孔样品的弹性模量为0.95 GPa,压缩强度为50 MPa。SLM技术比EBM技术制备的多孔β Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金弹性模量低的主要原因是高的冷却速率导致α相被抑制,促进β相生成,β相的存在有利于降低合金的弹性模量。
激光快速成形技术通过调控成形温度、保温时间、粉床温度、冷却速率等工艺参数来控制多孔β钛合金的孔隙结构及力学性能,适用于制备复杂形状的多孔材料,可自由的设计孔的特征参数,易于控制孔隙结构,无需二次加工,工艺灵活,但制备条件要求苛刻,易集聚热应力产生变形、裂纹缺陷。因此,该技术在制备多孔钛及钛合金方面还处在试验探索阶段,消除热应力是该法制备性能优异多孔钛合金的关键。
3 结 语
多孔β钛合金已经成为人体骨移植材料领域的发展方向,人们已进行了大量的研究,但其制备方法仍存在局限性,还处于不断发展阶段。孔径特征、孔隙率大小、相组成均匀性等特征的调控,成为制备多孔β钛合金的关键问题。为了低成本、高效率的获得性能优异的多孔β钛合金,需不断明确孔结构特征与生物性能的关系,深入研究各制备方法的工艺参数与孔结构的关系,以及合金成分配比、热处理制度与相组成的关系,重视多孔β钛合金的性能数据积累,不断探索与创新多孔β钛合金的制备技术,开拓医用β钛合金的应用新领域。
文章来源:《金属热处理》 网址: http://www.jsrclzzs.cn/qikandaodu/2021/0306/382.html