專利名稱：微波燒結(jié)制備醫(yī)用多孔NiTi形狀記憶合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬材料粉末冶金的制備方法，尤其涉及一種微波燒結(jié)制備醫(yī)用多孔NiTi形狀記憶合金的方法。
背景技術(shù)：
多孔NiTi形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性、可控的力學(xué)性能、多孔結(jié)構(gòu)使植入物的固定更可靠、利于人體體液營養(yǎng)成分的傳輸而縮短病人的康復(fù)期等特征，使其成為骨、關(guān)節(jié)和牙等硬組織的修復(fù)和替換外科植入材料的研究熱點(diǎn)之一。目前主要采用粉末冶金方法制備多孔NiTi形狀記憶合金，包括元素粉末混合燒結(jié)法(常規(guī)燒結(jié)法)、熱等靜壓法(HIP)和自蔓延高溫合成法(SHS)，這些技術(shù)雖然能制備出多孔NiTi形狀記憶合金，但均存在各自的問題，如元素粉末混合燒結(jié)等常規(guī)燒結(jié)方法制備多孔MTi的燒結(jié)時(shí)間長，孔隙率較低，難于形成三維連通的孔隙結(jié)構(gòu)；SHS雖燒結(jié)時(shí)間短，但形成的多孔結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂紋等缺陷，均勻性較差；HIP設(shè)備昂貴，而且制備的多孔MTi合金，在孔隙滿足條件的情況下，力學(xué)性能一般難于達(dá)到要求。所以有必要尋找其他的一些粉末冶金方法來制備多孔NiTi合金。微波燒結(jié)是近年來發(fā)展迅速的一種材料制備手段，微波加熱的效率高，比傳統(tǒng)方法省電30% 70%。微波燒結(jié)技術(shù)是利用微波的特殊波段與材料的基本細(xì)微結(jié)構(gòu)耦合而產(chǎn)生的熱量，材料的介質(zhì)損耗使材料整體加熱至燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)致密化的粉末冶金快速燒結(jié)方法。與常規(guī)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)具有燒結(jié)溫度低、保溫時(shí)間短、加熱均勻等特點(diǎn)，可以有效抑制晶粒的長大，細(xì)化合金的顯微組織，有利于改善燒結(jié)體的性能。微波燒結(jié)發(fā)明初期，主要用來研究介質(zhì)損耗低的陶瓷材料，如A1203、ZrO2, SiC等。直至1999年Roy等在nature 上報(bào)道顆粒狀金屬亦可實(shí)現(xiàn)微波場中加熱而燒結(jié)，關(guān)于一系列金屬以及合金的微波燒結(jié)研究才開始展開，包括鋁、鉛、錫、鋼鐵、高密度合金、青銅等結(jié)構(gòu)材料。目前微波燒結(jié)技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)用陶瓷材料的制備，如HA、TCP、多孔TCP-HA復(fù)合生物陶瓷和牙科用氧化鋁全瓷等，但迄今為止國內(nèi)外還沒有關(guān)于制備生物醫(yī)用多孔NiTi形狀記憶合金報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決迄今為止國內(nèi)外還沒有關(guān)于微波燒結(jié)制備醫(yī)用多孔 NiTi形狀記憶合金的問題，而提供的一種微波燒結(jié)制備醫(yī)用多孔NiTi形狀記憶合金的方法。本發(fā)明是這樣來實(shí)現(xiàn)的，方法步驟為
(一)配粉鈦粉和鎳粉按一定比例配料；
(二)球磨配好的粉體放入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨；
(三)壓坯球磨后的粉料在5(T500MPa壓力下模壓制成壓坯；
(四)裝爐將所得壓坯及微波輔助加熱材料放置于多晶莫來石纖維保溫桶內(nèi)，再將保溫桶放入微波燒結(jié)爐中；(五)微波燒結(jié)爐腔內(nèi)真空度抽至低于0.1 1 后，充入純度為99. 999%的氬氣，控制微波燒結(jié)爐的輸出功率，以一定的升溫速度、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間進(jìn)行微波燒結(jié)，隨爐冷卻后即獲得理想的醫(yī)用多孔NiTi形狀記憶合金。所述配料中鎳與鈦的原子百分比為(50. 5:49. 5) (51. 5:48. 5)，鈦粉和鎳粉的純度均在99. 5%以上，粒徑均為廣200 μ m。所述步驟(一)配粉中還可加入造孔劑，造孔劑可以是氫化鈦、碳酸氫銨、尿素或硬脂酸，純度大于90%，粒徑為廣800μπι，在配料中的質(zhì)量百分比為0.廣70%。所述球磨采用行星式球磨機(jī)，球磨轉(zhuǎn)速為10(T500r/min，球磨時(shí)間2 8h，球料比為 6:1。所述微波輔助加熱材料為綠色SiC粉，加入量為100 300 g。所述輸出功率為0.廣3kW，升溫速度為0.廣45°C/min，燒結(jié)溫度為70(Tll0(TC，保溫時(shí)間為l(T60min。本發(fā)明制備方法簡單方便、燒結(jié)周期短、能源消耗少，對環(huán)境無污染，適合工業(yè)化生產(chǎn)，本發(fā)明獲得的多孔NiTi形狀記憶合金力學(xué)性能適中，彈性模量和密度與人骨接近， 而強(qiáng)度大于人骨，孔隙結(jié)構(gòu)三維連通，孔隙率在2(Γ80%內(nèi)可控，孔徑大小均勻可控為30 600 μ m，可作為骨、關(guān)節(jié)及人工牙根等硬組織修復(fù)和替代材料。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式微波燒結(jié)制備醫(yī)用多孔MTi形狀記憶合金的方法按以下步驟進(jìn)行(一)配粉鈦粉和鎳粉按一定比例配料；(二)球磨配好的粉體放入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨；(三)壓坯球磨后的粉料在5(T500MPa壓力下模壓制成壓坯；(四)裝爐將所得壓坯及微波輔助加熱材料放置于多晶莫來石纖維保溫桶內(nèi)，再將保溫桶放入微波燒結(jié)爐中；(五)微波燒結(jié)爐腔內(nèi)真空度抽至低于0.1 1 后，充入純度為 99. 999%的氬氣，控制微波燒結(jié)爐的輸出功率，以一定的升溫速度、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間進(jìn)行微波燒結(jié)，隨爐冷卻后即獲得理想的醫(yī)用多孔MTi形狀記憶合金。本實(shí)施方式制備方法簡單方便、燒結(jié)周期短、能源消耗少，對環(huán)境無污染，適合工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明獲得的多孔NiTi形狀記憶合金力學(xué)性能適中，彈性模量和密度與人骨接近，而強(qiáng)度大于人骨，孔隙結(jié)構(gòu)三維連通，孔隙率在2(Γ80%內(nèi)可控，孔徑大小均勻可控為 30 600 μ m，可作為骨、關(guān)節(jié)及人工牙根等硬組織修復(fù)和替代材料。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(一)配料中鎳與鈦的原子百分比為(55. 5:44. 5) (56. 5:43. 5)，鈦粉和鎳粉的純度均在99. 5%以上，粒徑均為廣200μπι。其它步驟及所選參數(shù)與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(一)中所述配粉中還可加入造孔劑，造孔劑可以是氫化鈦、碳酸氫銨、尿素或硬脂酸，純度大于90%，粒徑為廣800 μ m，在配料中的質(zhì)量百分比為0.廣70%。其它步驟及所選參數(shù)與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(二)中球磨采用行星式球磨機(jī)，球磨轉(zhuǎn)速為10(T500r/min，球磨時(shí)間2、h，球料比為6:1。其它步驟及所選參數(shù)與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(四)中微波輔助加熱材料為綠色SiC粉，加入量為10(T300g。其它步驟及所選參數(shù)與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(五)中輸出功率為0.廣3kW，升溫速度為0.廣45°C /min，燒結(jié)溫度為70(Tll00°C，保溫時(shí)間為l(T60min。 其它步驟及所選參數(shù)與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式多孔MTi合金表面低溫制備彩色二氧化鈦薄膜的方法按以下步驟進(jìn)行(一)配粉純度為99. 5%的鎳粉與純度99. 5%的鈦粉按鎳與鈦原子百分比為50.8:49.2配粉，其中鎳粉和鈦粉粒徑均為 45μπι; (二)球磨配好的粉體放入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨，其中球磨轉(zhuǎn)速為300 r/min，球磨時(shí)間為4h ；(三)壓坯球磨后的粉料在250 MPa壓力下模壓制成壓坯；(四)裝爐將所得壓坯及200g SiC微波輔助加熱材料放置于多晶莫來石纖維保溫桶內(nèi)，再將保溫桶放入微波燒結(jié)爐中；(五)微波燒結(jié)爐腔內(nèi)真空度抽至低于0. 1 1 后，充入純度為99. 999%的氬氣，控制微波燒結(jié)爐的輸出功率為0 2. OkW，進(jìn)行微波燒結(jié)，其中升溫速度為20 25°C /min、燒結(jié)溫度為1080°C、保溫時(shí)間為lOmin，隨爐冷卻后即獲得理想的醫(yī)用多孔NiTi形狀記憶合金。本實(shí)施方式獲得的多孔NiTi形狀記憶合金的孔隙率為 35%，孔徑為2(Γ80μπι， 彈性模量為 22 GPa (接近于皮質(zhì)骨的17GPa)，抗拉強(qiáng)度為 270MPa，(大于皮質(zhì)骨的 130MPa)，抗壓強(qiáng)度為 480MPa，形狀記憶恢復(fù)率為 1. 5%。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式多孔MTi合金表面低溫制備彩色二氧化鈦薄膜的方法按以下步驟進(jìn)行(一)配粉純度為99. 5%的鎳粉與純度99. 5%的鈦粉，另加純度為 99. 5%質(zhì)量百分比為50%氫化鈦粉造孔劑，按鎳與鈦原子百分比為50. 8:49. 2配粉，其中鎳粉、氫化鈦粉和鈦粉粒徑均為 45 μ m ； (二)球磨配好的粉體放入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨，其中球磨轉(zhuǎn)速為250 r/min，球磨時(shí)間為4h ；(三)壓坯球磨后的粉料在250 MPa壓力下模壓制成壓坯；(四)裝爐將所得壓坯及200g SiC微波輔助加熱材料放置于多晶莫來石纖維保溫桶內(nèi)，再將保溫桶放入微波燒結(jié)爐中；(五)微波燒結(jié)爐腔內(nèi)真空度抽至低于0. 1 1 后，充入純度為99. 999%的氬氣，控制微波燒結(jié)爐的輸出功率為(Tl. 5kW，進(jìn)行微波燒結(jié)，其中升溫速度為15 20°C /min、燒結(jié)溫度為1050°C、保溫時(shí)間為20min，隨爐冷卻后即獲得理想的醫(yī)用多孔NiTi形狀記憶合金。本實(shí)施方式獲得的多孔NiTi形狀記憶合金的孔隙率為 40%，孔徑為5(Γ 50μπι， 彈性模量為 17GPa，抗拉強(qiáng)度為 250MPa，抗壓強(qiáng)度為 390MPa，形狀記憶恢復(fù)率為 1. 4%。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式多孔MTi合金表面低溫制備彩色二氧化鈦薄膜的方法按以下步驟進(jìn)行(一)配粉純度為99. 5%的鎳粉與純度99. 5%的鈦粉按鎳與鈦原子百分比為50. 5:49. 5配粉，另加質(zhì)量百分比為30%的碳酸氫銨造孔劑，其中鎳粉和鈦粉粒徑均為 45 μ m,碳酸氫銨的粒徑為200 500 μ m ； (二)球磨配好的粉體放入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨，其中球磨轉(zhuǎn)速為350 r/min，球磨時(shí)間為4h ；(三)壓坯球磨后的粉料在200 MPa壓力下模壓制成壓坯；(四)裝爐將所得壓坯及200g SiC微波輔助加熱材料放置于多晶莫來石纖維保溫桶內(nèi)，再將保溫桶放入微波燒結(jié)爐中；(五)微波燒結(jié)爐腔內(nèi)真空度抽至低于0. 1 1 后，充入純度為99. 999%的氬氣，控制微波燒結(jié)爐的輸出功率為(Tl. 2kW，進(jìn)行微波燒結(jié)，其中升溫速度為1(T15°C /min、燒結(jié)溫度為1000°C、保溫時(shí)間為 20min，隨爐冷卻后即獲得理想的醫(yī)用多孔NiTi形狀記憶合金。本實(shí)施方式獲得的多孔NiTi形狀記憶合金的孔隙率為飛5%，孔徑為30(Γ500 μ m，彈性模量為 5. 8 GPa,抗拉強(qiáng)度為 180MPa，抗壓強(qiáng)度為 220MPa，形狀記憶恢復(fù)率為
1. 2% ο具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式多孔MTi合金表面低溫制備彩色二氧化鈦薄膜的方法按以下步驟進(jìn)行(一)配粉純度為99. 5%的鎳粉與純度99. 5%的鈦粉按鎳與鈦原子百分比為51. 5:48. 5配粉，另加質(zhì)量百分比為40%的尿素造孔劑，其中鎳粉和鈦粉粒徑均為 45 μ m,尿素的粒徑為300 600 μ m ； (二)球磨配好的粉體放入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨，其中球磨轉(zhuǎn)速為200 r/min，球磨時(shí)間為4h ；(三)壓坯球磨后的粉料在200 MPa 壓力下模壓制成壓坯；(四)裝爐將所得壓坯及200g SiC微波輔助加熱材料放置于多晶莫來石纖維保溫桶內(nèi)，再將保溫桶放入微波燒結(jié)爐中；(五)微波燒結(jié)爐腔內(nèi)真空度抽至低于0. 1 Pa后，充入純度為99. 999%的氬氣，控制微波燒結(jié)爐的輸出功率為(Tl. 2kW，進(jìn)行微波燒結(jié)，其中升溫速度為1(T15°C /min、燒結(jié)溫度為980°C、保溫時(shí)間為30min，隨爐冷卻后即獲得理想的醫(yī)用多孔NiTi形狀記憶合金。本實(shí)施方式獲得的多孔NiTi形狀記憶合金的孔隙率為 75%，孔徑為30(Γ600 μ m， 彈性模量為 3.2 GPa (近松質(zhì)骨的l_2Gpa)，抗壓強(qiáng)度為 70MPa，形狀記憶恢復(fù)率為 0. 9%ο雖然介紹和描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但是本發(fā)明并不局限于此，而是還能以處于所附權(quán)利要求中定義的技術(shù)方案的范圍內(nèi)的其他方式來具體實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種微波燒結(jié)制備醫(yī)用多孔NiTi形狀記憶合金的方法，方法步驟為(一)配粉 鈦粉和鎳粉按一定比例配料；(二)球磨配好的粉體放入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨；(三)壓坯球磨后的粉料在5(T500MPa壓力下模壓制成壓坯；(四)裝爐將所得壓坯及微波輔助加熱材料放置于多晶莫來石纖維保溫桶內(nèi)，再將保溫桶放入微波燒結(jié)爐中；(五)微波燒結(jié)爐腔內(nèi)真空度抽至低于0.11 后，充入純度為99. 999%的氬氣，控制微波燒結(jié)爐的輸出功率，以一定的升溫速度、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間進(jìn)行微波燒結(jié)，隨爐冷卻后即獲得理想的醫(yī)用多孔NiTi形狀記憶合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波燒結(jié)制備醫(yī)用多孔MTi形狀記憶合金的方法，其特征在于所述配料中鎳與鈦的原子百分比為(50. 5:49. 5) (51. 5:48. 5)，鈦粉和鎳粉的純度均在99. 5%以上，粒徑均為廣200 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波燒結(jié)制備醫(yī)用多孔MTi形狀記憶合金的方法，其特征在于所述步驟(一)配粉中還可加入造孔劑，造孔劑可以是氫化鈦、碳酸氫銨、尿素或硬脂酸，純度大于90%，粒徑為廣800 μ m，在配料中的質(zhì)量百分比為0.廣70%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波燒結(jié)制備醫(yī)用多孔MTi形狀記憶合金的方法，其特征在于所述球磨采用行星式球磨機(jī)，球磨轉(zhuǎn)速為10(T500r/min，球磨時(shí)間2、h，球料比為 6:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波燒結(jié)制備醫(yī)用多孔MTi形狀記憶合金的方法，其特征在于所述微波輔助加熱材料為綠色SiC粉，加入量為10(T300 g。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波燒結(jié)制備醫(yī)用多孔MTi形狀記憶合金的方法，其特征在于所述輸出功率為0.廣3kW，升溫速度為0.廣45°C/min，燒結(jié)溫度為70(Γ1100 ，保溫時(shí)間為l(T60min。
全文摘要
一種微波燒結(jié)制備醫(yī)用多孔NiTi形狀記憶合金的方法，方法步驟為(一)配粉將鈦粉、鎳粉和造孔劑粉按一定質(zhì)量百分比配料；(二)球磨將配好的粉體放入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨；(三)壓坯將球磨后的粉料在50~500MPa壓力下模壓制成壓坯；(四)裝爐將所得壓坯及微波輔助加熱材料放置于多晶莫來石纖維保溫桶內(nèi)，再將保溫桶放入微波燒結(jié)爐中；(五)微波燒結(jié)。本發(fā)明的技術(shù)效果是制備方法簡單方便、燒結(jié)周期短、能源消耗少、適合工業(yè)化生產(chǎn)，燒結(jié)所獲得的多孔NiTi形狀記憶合金力學(xué)性能好，孔隙結(jié)構(gòu)三維連通，孔隙率在20~80%內(nèi)可控，孔徑大小均勻可控為30～600μm，可作為骨、關(guān)節(jié)及人工牙根等硬組織修復(fù)和替代材料。
文檔編號(hào)C22C1/08GK102534284SQ201110411828
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者徐吉林, 羅軍明, 鐘震晨, 馬勝燦 申請人:南昌航空大學(xué)