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引起應力屏蔽現象，使生物材料難以發揮充分的效能。對于生物醫用鈦粉末冶金材料，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)使容器內粉末達到攪拌混合。采用放電等離子燒結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。在鈦粉中混入質量分數為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 工業鋼磨球，在氬氣氣氛下球磨4 h 和8 h。放電等離子燒結(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MA 處理其HAP 固相未分解，而混入30% HAP 的粉末經MA 處理后其相組成發生了明顯的變化。再經SPS 處理的材料，添加10%及20% HAP 的出現了CaO 相，而混加30% HAP 的除了CaO 相外還出現了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，并積累各種數據以開拓新的產業領域。