鈦與羥基磷灰石的粉末冶金復合化研究

鈦是金屬生物材料中適用性最廣的材料，但由于鈦的楊氏模量(100 GPa 左右)比人體骨骼(20 ～40 GPa)的大得多，埋入骨中后會由于應力負荷狀態(tài)引起應力屏蔽現(xiàn)象，使生物材料難以發(fā)揮充分的效能。對于生物醫(yī)用鈦粉末冶金材料，最重要的是要使羥基磷灰石(HAP)在鈦基體中均勻分散，為此對鈦與羥基磷灰石的粉末冶金復合化方法進行了研究。采用機械合金化(MA)的方法可以把在鈦粉中的羥基磷灰石粉末在固相狀態(tài)下均勻分散制成復合粉末，使用振動型球磨罐(球磨罐是8 字形軌跡振動)使容器內(nèi)粉末達到攪拌混合。采用放電等離子燒結(jié)的方法進行復合粉末的固化成形。

實驗原料采用粒徑44 μm 的純鈦粉和生物材料用HAP 粉末。在鈦粉中混入質(zhì)量分數(shù)為0%～30%的HAP 粉末，并添加0.25 g 甘油三硬脂酸酯添加劑，混合粉末總量為10 g。球磨采用70 g 工業(yè)鋼磨球，在氬氣氣氛下球磨4 h 和8 h。放電等離子燒結(jié)(SPS)采用φ20 mm 的石墨模，升溫速度1.67 K/s，升至1 273 K 后，加壓49 MPa，保持0.18 ks 成形。實驗各階段采用多種儀器進行分析和表征。實驗表明，當HAP 的添加量在20%以下時，混合粉末經(jīng)MA 處理其HAP 固相未分解，而混入30% HAP 的粉末經(jīng)MA 處理后其相組成發(fā)生了明顯的變化。再經(jīng)SPS 處理的材料，添加10%及20% HAP 的出現(xiàn)了CaO 相，而混加30% HAP 的除了CaO 相外還出現(xiàn)了TiN 及CaTiO3相。測試了不同HAP 粉末添加量的SPS 材料的硬度和相對密度，并與純鈦的SPS 材料進行了比較。實驗表明，純鈦的SPS 材料的密度接近100%，而添加HAP 的SPS 材料的密度超過100%。含HAP 的SPS 材料的維氏硬度在不同實驗條件下均比純鈦高4 900 MPa 以上，而且隨著HAP添加量的增加而增大。Ti-30 HAP，MA 8 h 的SPS 材料的維氏硬度最高，達16 758 MPa。目前正在研究這種材料的腐蝕性能，期望今后大力開展這方面的研究，并積累各種數(shù)據(jù)以開拓新的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。