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Ti-24Nb-4Zr-8Sn(wt.％,简称Ti2448)是一种高强度、低模量、耐腐蚀、无生物毒性的新型多功能β钛合金,在医学领域有着巨大的应用潜力。致密块体材料与人体硬组织相比模量偏高,表面为生物惰性,无法与人体硬组织形成强有力的结合,导致植入体和骨组织界面的失配。多孔材料具有比其致密块体材料低的弹性模量和强度、良好的生物相容性,内部存在的大量孔隙更有利于周围细胞的长入和新骨的生长,从而减少了应力屏蔽等问题,延长植入体的寿命。
本文通过冷轧成形和真空烧结相结合的粉末冶金法制备高强低弹的大块多孔医用Ti2448合金,研究了冷轧形变量、烧结温度、造孔剂的粒径等主要工艺参数对多孔Ti2448合金孔隙特征参数、压缩性能、动态杨氏模量等性能的影响,并将其与制备的多孔纯Ti进行对比。
通过调整工艺参数,制备出孔隙率为25％～43％,平均孔径为188μm～372μm,压缩强度范围21MPa～260MPa,动态杨氏模量为1.54GPa～8.24Gpa的多孔Ti2448合金,与人体皮质骨基本匹配,适用于制备人体植入物。通过研究发现,冷轧形变量对多孔Ti2448合金的孔隙特征影响最为显著,多孔体的孔隙率和平均孔径随着冷轧形变量的增加均减小;随着烧结温度的升高,多孔体的孔隙率和平均孔径变化不明显,略有减小;造孔剂粒径对多孔Ti2448合金的平均孔径和孔径分布的影响很明显,平均孔径随着造孔剂粒径的增加而增加,其平均孔径比造孔剂粒径略大；孔隙率大小与造孔剂加入量有关。压缩强度和动态弹性模量随着孔隙率的增加而降低；孔径对弹性模量的影响不及孔隙率的影响显著；孔隙形状和孔棱连接性等其他结构参数对多孔Ti2448合金的性能也会产生影响。经过XRD分析,未添加造孔剂制备的多孔Ti2448合金为单β相,没有其他相的生成。而造孔剂法制备的多孔Ti2448合金除了单β相,还有少量碳化物Ti8C5的存在,主要是造孔剂分解挥发的产物和Ti元素发生反应所致。碳化物主要在合金粉末表面生成,并未扩散到粉末内部。
对于多孔材料的模量表征,多是通过测量压缩应力-应变曲线中弹性段的模量得到,而曲线的应变值大都通过测量夹头压缩位移计算而得,而且弹性段并非严格线性,所以压缩弹性模量与多孔材料的真实值具有较大差异。本研究可以制备出较大尺寸的多孔材料,故采用自由共振的物理方法测量了多孔Ti2448合金的动态弹性模量,并与通过压缩和拉伸两种静态法测得的弹性模量进行了对比,结果显示,动态法弹性模量值明显高于通过拉伸和压缩法弹性段测得的模量。
通过与制备的多孔纯Ti性能对比发现,在制备条件和孔隙特征相同的条件下,多孔Ti2448合金的压缩强度和动态弹性模量都低于纯Ti,而其强度与模量比值显著高于纯钛,具有比纯钛更优异的生物力学相容性。