本發(fā)明屬于多孔鈦合金的制備方法，特別涉及一種具有近立方體形狀孔隙結(jié)構(gòu)的仿生多孔梯度TiNb合金的粉末冶金方法。

背景技術(shù)：

多孔鈦合金因?yàn)榫哂信c骨組織相匹配的低彈性模量和強(qiáng)度、多孔結(jié)構(gòu)以及良好的生物相容性受到關(guān)注，可用于硬組織如骨骼、牙根等的修復(fù)與替換。人體的某些骨骼具有多孔梯度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即沿徑向由外向內(nèi)的孔隙度存在差異，即具有梯度結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。多孔結(jié)構(gòu)有利于組織長入和體液以及養(yǎng)分的輸送。因此，本發(fā)明涉及的多孔梯度多孔TiNb合金屬于一種骨組織仿生材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種多孔梯度多孔TiNb合金的制備方法。本方法能夠通過燒結(jié)制備出具有近立方體形狀孔隙結(jié)構(gòu)的多孔梯度TiNb合金，可用于骨骼、牙根等的替換與修復(fù)。

采用的技術(shù)方案是：

（1）一種多孔TiNb合金的制備方法，包括下述步驟：

制作模具：

所述模具，包括底座、外筒、第一梯度套筒、第二梯度套筒和上座。外筒下端與底座的圓形凸臺(tái)螺紋連接。底座的圓形凸臺(tái)的上端面開設(shè)有第一環(huán)形凹槽和第二環(huán)形凹槽。第一梯度套筒的下端插第一環(huán)形凹槽內(nèi)，間隙配合。第二梯度套筒的下端插入第二環(huán)形凹槽內(nèi)，間隙配合（如圖1所示）。

（2）取平均粒度≤165微米的鈦粉備用。取平均粒度≤165微米的鈮粉備用。取50--500微米的近立方體形的NaCl化學(xué)試劑顆粒作為造孔劑備用。

（3）按Ti：Nb=(65--55):(35--45.0)的質(zhì)量比稱取鈦和鈮粉,在混料器中混合24-48小時(shí)，備用。按所屬造孔劑在混合物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5--50%的比例稱取NaCl，與上述混合的鈦和鈮粉分別組成不同含量造孔劑的金屬-造孔劑混合物，并分別在混料器中混合18--24小時(shí)。

（4）將上述充分混合的不同含量造孔劑的混合物依次放入如圖1所示模具的不同套筒中；如圖2所示，并將上座置于粉末之上，在100--150MPa的壓強(qiáng)下壓制成設(shè)定形狀的坯料備用。

（5）將上述壓制坯料浸沒在70--80^OC的純凈水中25--30分鐘，造孔劑NaCl會(huì)逐漸溶解在純凈水中，而后重新?lián)Q純凈水；重復(fù)以上溶解過程15—20次，使造孔劑溶解。

（6）將上述坯料放入真空燒結(jié)爐中，以≤10℃/分鐘的速度加熱至1160--1350℃保溫4--8小時(shí)隨爐冷卻至室溫完成燒結(jié)，得到多孔梯度TiNb合金。真空燒結(jié)爐（0.01Ｐa≤真空度≤1Ｐa）。

多孔TiNb合金的孔隙度范圍約為9.8--71.3%，孔隙度沿徑向呈現(xiàn)出梯度變化的特征，平均孔隙尺寸范圍為80--550微米，具有近立方體形狀的孔隙結(jié)構(gòu)。

所燒結(jié)的多孔TiNb合金的孔隙度（P）與造孔劑在金屬粉末與造孔劑的混合物中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為P≈0.03+1.35D+0.03D²。例如D=20%，即0.2時(shí)，P≈0.3，即30%。孔隙度誤差為±4%。

所燒結(jié)的多孔TiNb合金的平均孔隙尺寸比造孔劑的平均粒度大30--50微米。

所述的多孔TiNb合金，孔隙度為9.8--71.3%，孔隙度沿徑向呈現(xiàn)出梯度變化的特征，平均孔隙尺寸為80--550微米，具有立方體形狀孔隙結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的生物相容性。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本多孔梯度TiNb合金具有與人體硬組織匹配的彈性模量，多孔梯度的孔隙結(jié)構(gòu)與人體松質(zhì)骨的微觀結(jié)構(gòu)相似?？捎糜诠趋?、牙根等的替換與修復(fù)，是理想的硬組織替代材料。本發(fā)明的工藝簡便易行，節(jié)能，環(huán)保，孔隙度范圍寬，平均孔隙尺寸范圍寬。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法中使用的模具示意圖。

圖2是制備多孔梯度生坯填料后示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

一種多孔TiNb合金的制備方法，包括下述步驟：

（1）制作模具：

所述模具，包括底座1、外筒2、第一梯度套筒3、第二梯度套筒4、上座7。外筒2下端與底座1的圓形凸臺(tái)螺紋連接。底座1的底座圓形凸臺(tái)的上端面開設(shè)有第一環(huán)形凹槽5和第二環(huán)形凹槽6。第一梯度套筒3的下端插第一環(huán)形凹槽5內(nèi)，間隙配合。第二梯度套筒4的下端插入第二環(huán)形凹槽6內(nèi)，間隙配合（如圖1所示）。

（2）分別取平均粒度≤75微米的866g商用鈦粉和平均粒度≤75微米的466g鈮粉，在混料器中混合24小時(shí)，備用。取經(jīng)過篩分的粒度范圍為50--150微米的138g造孔劑NaCl顆粒，備用。

（3）取上述混合后的鈦和鈮粉465g與上述氯化鈉顆粒25g在混料器中混合18小時(shí)，制成金屬粉末與造孔劑的混合物A，松裝在如圖1所示模具的外筒2（內(nèi)徑為89mm）和第一梯度套筒3（外徑74mm）之間的環(huán)形區(qū)域中；取上述混合后的鈦和鈮粉446g與上述氯化鈉顆粒44g在混料器中混合18小時(shí)，制成金屬粉末與造孔劑的混合物B，松裝在如圖1所示模具的第一梯度套筒3（內(nèi)徑72mm）和第二梯度套筒4（外徑52mm）之間的環(huán)形區(qū)域中；取上述混合后的鈦和鈮粉421g與上述氯化鈉顆粒69g在混料器中混合18小時(shí)，制成金屬粉末與造孔劑的混合物C，松裝在如圖1所示模具的第二梯度套筒4（內(nèi)徑50mm）內(nèi)；輕輕抽出第一梯度套筒3和第二梯度套筒4；如圖2所示，將上座7置于粉末上，在100MPa壓強(qiáng)下壓制成φ89mm×50mm的坯料。

（4）將上述壓制坯料浸沒在70^OC的純凈水中30分鐘，造孔劑NaCl會(huì)逐漸溶解在純凈水中，而后重新?lián)Q純凈水；重復(fù)以上溶解過程15次，使造孔劑溶解。

（5）隨后將坯料放入真空燒結(jié)爐中以10℃/分鐘的速度加熱至1160℃保溫4小時(shí)，冷卻得到多孔梯度Ti-35Nb(wt%)合金。真空燒結(jié)爐（真空度0.1Ｐa）。

平均孔隙尺寸范圍為80-200微米, 為近立方體形狀形的孔隙結(jié)構(gòu)?？紫抖葹檠貜较蛞来纬尸F(xiàn)9.8%→15.2%→21.9%的梯度分布，孔隙度誤差為±4%。

實(shí)施例二

一種多孔TiNb合金的制備方法，包括下述驟：

（1）制作模具：

所述模具，包括底座1、外筒2、第一梯度套筒3、第二梯度套筒4、上座7。外筒2下端與底座1的圓形凸臺(tái)螺紋連接。底座1的底座圓形凸臺(tái)的上端面開設(shè)有第一環(huán)形凹槽5和第二環(huán)形凹槽6。第一梯度套筒3的下端插第一環(huán)形凹槽5內(nèi)，間隙配合。第二梯度套筒4的下端插入第二環(huán)形凹槽6內(nèi)，間隙配合（如圖1所示）。

（2）分別取平均粒度≤45微米的585g商用鈦粉和平均粒度≤45微米的390g鈮粉，在混料器中混合36小時(shí)，備用。取經(jīng)過篩分的粒度范圍為150--300微米的240g造孔劑NaCl顆粒，備用。

（3）取上述混合后的鈦和鈮粉295g與上述氯化鈉顆粒110g在混料器中混合20小時(shí)，制成金屬粉末與造孔劑的混合物A，松裝在如圖1所示模具的外筒2（內(nèi)徑83mm）和第一梯度套筒3（外徑68mm）之間的環(huán)形區(qū)域中；取上述混合后的鈦和鈮粉325g與上述氯化鈉顆粒80g在混料器中混合20小時(shí)，制成金屬粉末與造孔劑的混合物B，松裝在如圖1所示模具的第一梯度套筒3（內(nèi)徑66mm）和第二梯度套筒4（外徑47mm）之間的環(huán)形區(qū)域中；取上述混合后的鈦和鈮粉355g與上述氯化鈉顆粒50g在混料器中混合20小時(shí)，制成金屬粉末與造孔劑的混合物C，松裝在如圖1所示模具的第二梯度套筒4（內(nèi)徑45mm）內(nèi)；輕輕抽出第一梯度套筒3和第二梯度套筒4；如圖2所示，將上座置于粉末上，在130MPa壓強(qiáng)下壓制成φ83mm×50mm的坯料。

（4）將上述壓制坯料浸沒在75^OC的純凈水中25分鐘，造孔劑NaCl會(huì)逐漸溶解在純凈水中，而后重新?lián)Q純凈水；重復(fù)以上溶解過程18次，使造孔劑NaCl溶解。

（5）隨后將坯料放入真空燒結(jié)爐中以5℃/分鐘的速度加熱至1300℃保溫6小時(shí)，冷卻得到多孔Ti-40Nb(wt%)合金。真空燒結(jié)爐（真空度0.01Ｐa）。

平均孔隙尺寸范圍為180--350微米,為近立方體形狀的孔隙結(jié)構(gòu)?？紫抖妊貜较虺尸F(xiàn)出39.7%→29.8%→19.9%的梯度?？紫抖日`差為±4%。

實(shí)施例三

一種多孔TiNb合金的制備方法，包括下述驟：

（1）制作模具：

所述模具，包括底座1、外筒2、第一梯度套筒3、第二梯度套筒4、上座7。外筒2下端與底座1的圓形凸臺(tái)螺紋連接。底座1的底座圓形凸臺(tái)的上端面開設(shè)有第一環(huán)形凹槽5和第二環(huán)形凹槽6。第一梯度套筒3的下端插第一環(huán)形凹槽5內(nèi)，間隙配合。第二梯度套筒4的下端插入第二環(huán)形凹槽6內(nèi)，間隙配合（如圖1所示）。

（2）分別取平均粒度≤165微米的373g商用鈦粉和平均粒度≤165微米的305g鈮粉，在混料器中混合48小時(shí)，備用。取經(jīng)過篩分的粒度范圍為350--500微米的522g造孔劑NaCl顆粒，備用。

（3）取上述混合后的鈦和鈮粉200g與上述氯化鈉顆粒200g在混料器中混合24小時(shí)，制成金屬粉末與造孔劑的混合物A，松裝在如圖1所示模具的外筒2（內(nèi)徑85mm）和第一梯度套筒3（外徑68mm）之間的環(huán)形區(qū)域中；取上述混合后的鈦和鈮粉228g與上述氯化鈉顆粒172g在混料器中混合24小時(shí)，制成金屬粉末與造孔劑的混合物B，松裝在如圖1所示模具的第一梯度套筒3（內(nèi)徑66mm）和第二梯度套筒4（外徑47mm）之間的環(huán)形區(qū)域中；取上述混合后的鈦和鈮粉250g與上述氯化鈉顆粒150g在混料器中混合24小時(shí)，制成金屬粉末與造孔劑的混合物C，松裝在如圖1所示模具的第二梯度套筒4（內(nèi)徑45mm）內(nèi)；輕輕抽出第一梯度套筒3和第二梯度套筒4；如圖2所示，將上座置于粉末上，在150MPa壓強(qiáng)下壓制成φ85mm×60mm的坯料。

（4）將上述壓制坯料浸沒在80^OC的純凈水中30分鐘，造孔劑NaCl會(huì)逐漸溶解在純凈水中，而后重新?lián)Q純凈水；重復(fù)以上溶解過程20次，使造孔劑NaCl溶解。

（5）隨后將坯料放入真空燒結(jié)爐中以4℃/分鐘的速度加熱至1350℃保溫8小時(shí)，冷卻得到多孔Ti-45Nb(wt%)合金。真空燒結(jié)爐（真空度1Ｐa）。

平均孔隙尺寸范圍為380-550微米,為近立方體形狀的孔隙結(jié)構(gòu)?？紫抖妊貜较虺尸F(xiàn)出71.3%→61.6%→54.0%的梯度?？紫抖日`差為±4%。