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粉末冶金钛合金及多孔钛研究

丑晓明  
【摘要】: 钛无毒、高比强度且具有优良的生物相容性以及接近人骨的弹性模量,因此成为医用植入材料的首选。为了降低钛合金的成本,国外大力发展钛合金无切削、少切削的近净成形工艺,粉末冶金技术就是这种近净成形工艺之一。 本论文针对纯钛烧结致密化问题、钕对粉末冶金纯钛性能的影响以及多孔纯钛制备等方面深入研究,通过金相显微技术、扫描电镜分析、能谱分析、化学元素分析等现代分析手段开展了大量的实验工作及理论分析。 以HDH Ti粉为原料10~(-3)pa真空条件下、1100℃烧结2小时可以使得粉末冶金纯钛平均晶粒直径为30μm左右,密度达到理论密度的95.56%。其抗拉强度为770MPa,而延伸率小于1%,为脆性断裂。相比之下,高纯钛板材的抗拉强度只有334MPa,而延伸率超过60%,为韧性断裂。经检测发现烧结纯钛的碳、氧含量分别为0.081wt.%和0.38wt.%,而高纯钛板材的碳、氧含量分别为0.080wt.%和0.075wt%。烧结纯钛中非常高的碳、氧杂质含量使得其塑性变形能力大大降低。 在粉末冶金纯钛中添加少量稀土钕发现,10~(-3)Pa真空条件下、1100℃烧结2小时的烧结样品晶粒直径为20μm左右,其晶粒直径相对于未添加钕的样品有明显的细化。随着钕添加量的增加,拉伸样出现了明显的屈服。PM Ti-4.0wt.%Nd的屈服强度达到630MPa,抗拉强度接近700MPa,延伸率为7.5%。这对于进一步提高粉末冶金钛的塑性变形研究具有很强的开创意义。 在HDH Ti粉末中添加TiH_2粉末作为发泡剂,10~(-3)Pa、1100℃真空脱氢-烧结可得到开孔孔隙度为20%左右的多孔钛;在同样的粉末原料和发泡剂配比下,通过添加石蜡作为成形剂,真空脱氢-烧结后可得到开孔孔隙度达30%的烧结坯。+300~-200mesh的HDH Ti粉与-325mesh的TiH_2粉配比得到的多孔钛的连通孔呈镂空状,孔径尺寸为10μm~20μm;其造孔机理主要是粗粉末的孔隙预留实现造孔,TiH_2粉末的持续释氢为这些孔隙的保留起到了很好的疏通作用。-500mesh的HDH Ti粉与-325mesh的TiH_2粉配比得到的多孔钛的连通孔呈曲折延伸的细管状,孔径尺寸为5μm~10μm;其造孔机理主要是细HDH Ti粉末首先包裹TiH_2粉末,高温下TiH_2分解于包裹体表面冲出细小孔洞实现造孔。这对于将来利用注射成形法共注射、同时脱脂-烧结工艺制备内芯致密、外层多孔的医用植入材料的研究具有很强的参照意义。


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