CN108359828B - 一种有序多孔tc4合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种有序多孔TC4合金的制备方法,将TiH2粉末、Al‑V合金粉末按TC4合金标准成分比例混合得到混合粉末,加入模板剂丙酮溶液,进行高能球磨,然后进行真空热压烧结,最终得到有序多孔TC4合金;本发明加入模板剂及TiH2粉末可以在烧结过程中形成有序多孔,脱氢过程中,TiH2释放出的氢可以有效清洁合金内部孔隙及合金表面,不仅保证了生产产品的优良性能,而且有效缩短了产品的生产流程,合理改造优化了钛合金的孔隙形貌。
Description
技术领域
本发明属于有序多孔钛合金技术领域,具体涉及利用BHPA、TiH2真空热压烧结制备有序多孔TC4合金的方法。
背景技术
TC4合金即Ti-6Al-4V合金是一种具有密度低、比强度高、良好的耐热耐腐蚀性、生物相容性及良好的综合力学性能的α+β两相型钛合金,TC4作为(α+β)两相钛合金中使用最广泛的一种,在1954年由美国Ⅱlinois技术所率先研制成功,其应用率占钛合金总产量的50%,占全部钛合金加工件的95%,已成为世界各国通用的钛合金,其多孔产品已作为生物材料使用,为保证新骨细胞组织在内生长及体液的良好传输,因此要求制造出的合金不仅具有多孔特性且合金中孔隙均匀连通。目前,多孔TC4合金主要的生产方法为纯钛粉末添加合金粉末和造孔剂,之后采用粉末冶金法进行生产,但该方法存在中使用的纯钛粉末多采用熔铸法进行生产,该方法存在熔炼成本高、成材率低的缺点,无形中增加了钛合金的生产成本;另外,造孔剂的加入虽然出现了孔隙,但大多孔隙过小且部分不连通。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:解决使用造孔剂(碳酸氢铵、硬脂酸锌或聚乙烯醇)制备多孔TC4合金的传统生产方法中存在的孔洞过小,生物医用时孔洞不连通,孔洞无序,体液无法运行等突出问题。
本发明的技术思路是:利用TiH2的高温脱氢特性,添加一定量的模板剂,结合粉末冶金方法,直接烧结得到有序多孔TC4合金,缩短工艺流程,得到有序且连通的纳米级孔洞。
本发明解决问题所采用的技术方案是:将TiH2粉末、Al-V合金粉末按TC4合金标准成分比例混合得到混合粉末,加入模板剂丙酮溶液,进行高能球磨,然后进行真空热压烧结,最终得到有序多孔TC4合金。
所述TiH2粉末和Al-V合金粉末粒度为325目~400目。
所述模板剂丙酮溶液是将BHPA(2,2-二羟甲基丙酸)按质量比1:7的比例溶于丙酮得到。
所述模板剂为BHPA(2,2-二羟甲基丙酸)。
所述模板剂丙酮溶液加入量为混合粉末质量的5%~15%。
所述高能球磨选用行星式高能球磨机,球料体积比为3:1,球磨转速设置为50r/min ~160r/min,球磨时间60min ~120min。
所述真空热压烧结的具体工艺为:真空度10-4Pa~10-2Pa下,采用真空热压烧结炉、热压模具,在50℃~250℃时进行炉内热压处理,压制压力为5MPa~15MPa,保压5min~15min,1000℃~1300℃烧结60min~90min,且升温过程中在200℃~400℃设置较慢升温速率不大于8℃/min,确保造孔剂完全挥发,烧结过程持续抽真空。
本发明是使用有机小分子模板法结合粉末冶金法,以金属氢化物TiH2粉末为原料,利用TiH2的高温脱氢特性,缩短生产多孔TC4合金的生产流程,在真空烧结升温过程中,体系中的模板剂受热分解,同时随着温度不断升高,体系中氢气不断逸出,使得体系微观结构发生演变,在升温的同时,模板剂作用、金属氢化物的脱氢过程以及合金的形成过程同时进行,使得最终通过直接烧结添加有一定量模板剂的TiH2及合金粉末组成的混合粉末坯体得到有序多孔TC4合金产品,通过阿基米德排水法测试得到合金产品的孔隙率为45%~65%,连通孔洞直径为3-4μm;利用XRD、SEM测试得到所得产品为α+β型有序多孔TC4合金,证明了利用该工艺生产多孔TC4合金的可行性,该方法是生产有序多孔TC4合金的先进方法。
本发明以发泡剂TiH2粉末为原料,加入不同合金粉末及一定量的模板剂,直接进行有序多孔钛合金的生产,在烧结升温中使成孔过程、TiH2的脱氢过程以及合金的形成过程同时进行,不仅保证了生产产品的优良性能,而且有效缩短了产品的生产流程,合理改造优化了钛合金的孔隙形貌。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图;
图2为本发明实施例1得到的TC4合金的XRD图;
图3为本发明实施例1得到的TC4合金的金相图;
图4为本发明实施例2的烧结曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述,但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
材料名称:有序多孔TC4合金
材料规格:60mm×Φ150mm的圆柱形有序多孔TC4合金
化学成分(质量百分比):Ti元素质量百分比为90%,Al元素质量百分比为6%及V元素质量百分比为4%。
实验设备:行星式高能球磨机、真空热压烧结炉。
如图1所示,具体制备工艺步骤:
(1)原料准备:按Ti-6Al-4V合金的标准成分比例,称取325目的TiH2粉末、Al-V合金粉末,TiH2粉末、Al-V合金粉末均可市购得到,下同,并进行混合得到混合粉末;
(2)在步骤(1)的混合粉末中添加混合粉末质量5%的模板剂丙酮溶液得到混合物,其中模板剂为BHPA(2,2-二羟甲基丙酸),模板剂丙酮溶液是将BHPA(2,2-二羟甲基丙酸)按质量比1:7的溶于丙酮得到的混合液;
(3)球磨:将步骤(2)的混合物按球料体积比3:1置入球磨罐,装料容积为40%,采用行星式高能球磨机,设置球磨转速为60r/min,球磨时间为100min;
(4)真空热压烧结:将步骤(3)球磨好的混合物称取4g置于圆柱形模压模具中,并将热压模具置于真空热压烧结炉内,真空度10-4Pa下进行升温,以10℃/min的升温速率升温至100℃,在100℃时进行炉内热压处理,压制压力为5MPa,保压15min,继续以10℃/min的升温速率升温至200℃,在200℃~400℃设置较慢升温速率为8℃/min,确保造孔剂完全挥发,然后接着以10℃/min的升温速率升温至1000℃烧结90min,之后随炉降温得到有序多孔TC4合金,烧结过程保持高真空状态且真空度达到10-4Pa。
对得到的有序多孔TC4合金产品利用阿基米德排水法进行密度测试,计算得到该工艺制取的合金孔隙率为46.8%;图2所示,为得到的TC4合金的XRD图;图3所示为得到的TC4合金的金相图,图中可知连通孔洞直径为3.1μm。
实施例2
材料名称:有序多孔TC4合金
材料规格:60mm×Φ150mm的圆柱形有序多孔TC4合金
化学成分(质量百分比):Ti元素质量百分比为90%,Al元素质量百分比为6%及V元素质量百分比为4%。
实验设备:行星式高能球磨机、真空热压烧结炉。
具体制备工艺步骤:
(1)原料准备:按Ti-6Al-4V合金的标准成分比例,称取400目的TiH2粉末、Al-V合金粉末,并进行混合得到混合粉末;
(2)在步骤(1)的混合粉末中添加混合粉末质量10%的模板剂丙酮溶液得到混合物,其中模板剂为BHPA(2,2-二羟甲基丙酸),模板剂丙酮溶液是将BHPA(2,2-二羟甲基丙酸)按质量比1:7的溶于丙酮得到的混合液;
(3)球磨:将步骤(2)的混合物按球料体积比3:1置入球磨罐,装料容积为40%,采用行星式高能球磨机,设置球磨转速为50r/min,球磨时间为120min;
(4)真空热压烧结:烧结曲线图见图4所示,将步骤(3)球磨好的混合物称取4g置于圆柱形模压模具中,并将热压模具置于真空热压烧结炉内,真空度10-3Pa下进行升温,以10℃/min的升温速率升温至50℃,在50℃时进行炉内热压处理,压制压力为10MPa,保压10min,继续以10℃/min的升温速率升温至200℃,在200℃~400℃设置较慢升温速率为5℃/min,确保造孔剂完全挥发,然后接着以10℃/min的升温速率升温至1100℃烧结75min,之后随炉降温得到有序多孔TC4合金,烧结过程保持高真空状态且真空度达到10-3Pa。
对得到的有序多孔TC4合金产品利用阿基米德排水法进行密度测试,计算得到该工艺制取的合金孔隙率为54.3%,连通孔洞直径为3.7μm,通过金相显微镜、XRD及SEM测试均可得到该产品为合格的有序多孔TC4合金。
实施例3
材料名称:有序多孔TC4合金
材料规格:60mm×Φ150mm的圆柱形有序多孔TC4合金
化学成分(质量百分比):Ti元素质量百分比为90%,Al元素质量百分比为6%及V元素质量百分比为4%。
实验设备:行星式高能球磨机、真空热压烧结炉。
如图1所示,具体制备工艺步骤:
(1)原料准备:按Ti-6Al-4V合金的标准成分比例,称取400目的TiH2粉末、Al-V合金粉末,并进行混合得到混合粉末;
(2)在步骤(1)的混合粉末中添加混合粉末质量15%的模板剂丙酮溶液得到混合物,其中模板剂为BHPA(2,2-二羟甲基丙酸),模板剂丙酮溶液是将BHPA(2,2-二羟甲基丙酸)按质量比1:7的溶于丙酮得到的混合液;
(3)球磨:将步骤(2)的混合物按球料体积比3:1置入球磨罐,装料容积为40%,采用行星式高能球磨机,设置球磨转速为160r/min,球磨时间为60min;
(4)真空热压烧结:将步骤(3)球磨好的混合物称取4g置于圆柱形模压模具中,并将热压模具置于真空热压烧结炉内,真空度10-2Pa下进行升温,以8℃/min的升温速率升温至250℃,在250℃时进行炉内热压处理,压制压力为15MPa,保压5min,继续以8℃/min的升温速率升温至200℃,在200℃~400℃设置较慢升温速率为3℃/min,确保造孔剂完全挥发,然后接着以8℃/min的升温速率升温至1300℃烧结60min,之后随炉降温得到有序多孔TC4合金,烧结过程保持高真空状态且真空度达到10-2Pa。
对得到的有序多孔TC4合金产品利用阿基米德排水法进行密度测试,计算得到该工艺制取的合金孔隙率为64.2%;连通孔洞直径为3.5μm,通过金相显微镜、XRD及SEM测试均可得到该产品为合格的有序多孔TC4合金。
Claims (5)
1.一种有序多孔TC4合金的制备方法,其特征在于,将TiH2粉末、Al-V合金粉末按TC4合金标准成分比例混合得到混合粉末,加入模板剂丙酮溶液,进行高能球磨,然后进行真空热压烧结,最终得到有序多孔TC4合金;
所述模板剂丙酮溶液是将模板剂按质量比1:7的比例溶于丙酮得到;
所述模板剂为2,2-二羟甲基丙酸。
2.根据权利要求1所述有序多孔TC4合金的制备方法,其特征在于,所述TiH2粉末和Al-V合金粉末粒度为325 ~400目。
3.根据权利要求1所述有序多孔TC4合金的制备方法,其特征在于,所述模板剂丙酮溶液加入量为混合粉末质量的5~15%。
4.根据权利要求1所述有序多孔TC4合金的制备方法,其特征在于,所述高能球磨选用行星式高能球磨机,球料体积比为3:1,球磨转速为50~160r/min,球磨时间60~120min。
5.根据权利要求1所述有序多孔TC4合金的制备方法,其特征在于,所述真空热压烧结的具体工艺为:真空度10-4~10-2Pa下,在50~250℃时进行炉内热压处理,压制压力为5 ~15MPa,保压5~15min,1000~1300℃烧结60~90min,且升温过程中在200~400℃设置升温速率不大于8℃/min,烧结过程持续抽真空。
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