[发明专利]一种凝胶注模-自蔓延高温合成制备钛合金材料的方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种凝胶注模成形与自蔓延高温合成技术相结合制备钛合金材料的方法，制备出高强度、低弹性模量的多孔钛合金材料。

背景技术

凝胶注模成形(Gelcasting)由美国橡树岭国家实验室M.A.Janney教授等人于20世纪90年代初发明，是近年倍受关注的一种复杂形状陶瓷部件近净尺寸的原位凝固成形方法。凝胶注模成形具有易成形复杂形状、大尺寸零件，成形坯体组织均匀、强度高，坯体有机物含量少，不需专门脱脂工序，模具成本低廉、易工业化等优点。而且近年来，凝胶注模成形已经用于金属粉末方面。

自蔓延高温合成(Self-propagating High-temperature Synthesis，缩写SHS)，是利用化学反应自身放热制备材料的新技术。它可以大大地节省能源。此外，它还具有合成时间短、产物纯度高、污染少、集材料的合成与烧结于一体等突出的优点。

将凝胶注模成形与自蔓延高温合成相结合制备钛合金多孔体，实际就是以凝胶注模成形方法使钛合金金属粉以一定的形状成形，以保证最终产品的形状，由凝胶注模成形坯件排胶后发生自蔓延高温合成反应，最终制成多孔钛合金材料。采用这两种方法相结合制取钛合金多孔体主要是因为在凝胶注模过程中需加入一定量的有机单体，经过排胶后，原来单体聚合物存在的位置成为固有的孔隙，有助于SHS制备钛合金多孔体。多孔钛合金的密度、强度和弹性模量可以通过改变孔隙度来调整，达到与被替换硬组织相匹配的力学性能，改善植入体与机体的应力屏蔽问题，从而可以避免植入体周围的骨坏死、新骨畸变及其承载能力降低；同时，多孔结构有利于成骨细胞的黏附、分化和生长，促进骨长入孔隙，加强植入体与骨的连接，实现生物固定；而且开放的连通孔结构有利于水分和营养成分在植入体中的运输，促进组织再生与重建，加快痊愈过程。另外，利用Gelcasting-SHS的另外一个好处就是可以制成形状复杂的零件。

发明内容

本发明的目的在于将凝胶注模的近净尺寸复杂形状成形与自蔓延高温合成的节能两者的优点结合，制备出高强度、低弹性模量的钛合金材料，改善钛合金性能并降低成本。

一种凝胶注模-自蔓延高温合成制备钛合金材料的方法，具体工艺如下：

(1)采用Ti粉与Ni、Co、Al等一种或多种金属粉作为原材料，按照一定比例(质量比Ti粉占25～75％，与Ni、Co、Al等一种或多种金属粉占75～25％)称量，然后放入球磨罐中球磨，将原材料粉充分混合，球磨1～20小时使钛合金粉混合均匀，烘干备用。

(2)水基体系配制：将单体及交联剂以质量比(1～250)∶1混合，并将该混合物溶于去离子水制成均匀稳定的、质量分数为10～55％的凝胶体系溶液；将称好的钛合金粉末加入凝胶体系溶液中，并加入钛合金粉体积0.01～5％的分散剂在球磨罐中球磨2～10小时，球磨速度在20～100转/分，制成流动性良好的浆料，放入真空环境中排气5～60分钟；在模具内壁涂薄薄一层脱模剂异辛醇或凡士林，量取单体质量0.02～2％的催化剂和单体质量0.02～5％的引发剂加入浆料中，搅拌均匀后注入模具，在20～70℃下固化20～180分钟，脱模修坯后在20～70℃下干燥30～120小时。

(3)将上述坯件一端与钨丝相连接，放入在真空炉里，待真空度高于1×10^-2Pa后以10～100℃/h的速度升温进行排胶，排胶温度为150～500℃，排胶时间为1～10小时，排胶完成后继续升温，进行自蔓延预热，预热温度范围是300～600℃，达到预热温度后，保温0.5～3小时后启动点火2～10秒，引燃坯件，即可发生自蔓延高温合成反应，反应完成后温度降到100℃以下，停止抽真空取样。

上述步骤(2)的水基体系可以用甲苯基体系替代。

甲苯基体系配制：称取一定量的钛合金粉，加入到甲苯基甲基丙烯酸羟乙酯和甲苯溶液中(两种溶液体积比0.1～10)，搅拌混合成浆料，称取钛合金粉质量0.5～3％的超分散剂Solsperse-6000加入到浆料中，搅拌均匀，分别量取单体质量0.02～2％的催化剂和单体质量0.02～5％的引发剂加入到浆料中；在一定时间段内，将浆料放入10^-2Pa的真空环境中排气，在模具内壁涂薄薄一层脱模剂异辛醇，将经排气的浆料缓缓注入模具中，固化20～180分钟后脱模、修坯，再放入50～80℃恒温的小于10^-2Pa的真空干燥箱内干燥30～120小时。

发明原理