本發明屬于多孔鈦合金的制備方法，特別涉及一種具有近立方體形狀孔隙結構的仿生多孔梯度TiNb合金的粉末冶金方法。

背景技術：

多孔鈦合金因為具有與骨組織相匹配的低彈性模量和強度、多孔結構以及良好的生物相容性受到關注，可用于硬組織如骨骼、牙根等的修復與替換。人體的某些骨骼具有多孔梯度的結構特點，即沿徑向由外向內的孔隙度存在差異，即具有梯度結構的特點。多孔結構有利于組織長入和體液以及養分的輸送。因此，本發明涉及的多孔梯度多孔TiNb合金屬于一種骨組織仿生材料。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種多孔梯度多孔TiNb合金的制備方法。本方法能夠通過燒結制備出具有近立方體形狀孔隙結構的多孔梯度TiNb合金，可用于骨骼、牙根等的替換與修復。

采用的技術方案是：

（1）一種多孔TiNb合金的制備方法，包括下述步驟：

制作模具：

所述模具，包括底座、外筒、第一梯度套筒、第二梯度套筒和上座。外筒下端與底座的圓形凸臺螺紋連接。底座的圓形凸臺的上端面開設有第一環形凹槽和第二環形凹槽。第一梯度套筒的下端插第一環形凹槽內，間隙配合。第二梯度套筒的下端插入第二環形凹槽內，間隙配合（如圖1所示）。

（2）取平均粒度≤165微米的鈦粉備用。取平均粒度≤165微米的鈮粉備用。取50--500微米的近立方體形的NaCl化學試劑顆粒作為造孔劑備用。

（3）按Ti：Nb=(65--55):(35--45.0)的質量比稱取鈦和鈮粉,在混料器中混合24-48小時，備用。按所屬造孔劑在混合物中的質量分數為5--50%的比例稱取NaCl，與上述混合的鈦和鈮粉分別組成不同含量造孔劑的金屬-造孔劑混合物，并分別在混料器中混合18--24小時。

（4）將上述充分混合的不同含量造孔劑的混合物依次放入如圖1所示模具的不同套筒中；如圖2所示，并將上座置于粉末之上，在100--150MPa的壓強下壓制成設定形狀的坯料備用。

（5）將上述壓制坯料浸沒在70--80^OC的純凈水中25--30分鐘，造孔劑NaCl會逐漸溶解在純凈水中，而后重新換純凈水；重復以上溶解過程15—20次，使造孔劑溶解。

（6）將上述坯料放入真空燒結爐中，以≤10℃/分鐘的速度加熱至1160--1350℃保溫4--8小時隨爐冷卻至室溫完成燒結，得到多孔梯度TiNb合金。真空燒結爐（0.01Ｐa≤真空度≤1Ｐa）。

多孔TiNb合金的孔隙度范圍約為9.8--71.3%，孔隙度沿徑向呈現出梯度變化的特征，平均孔隙尺寸范圍為80--550微米，具有近立方體形狀的孔隙結構。

所燒結的多孔TiNb合金的孔隙度（P）與造孔劑在金屬粉末與造孔劑的混合物中的質量百分數間的經驗關系式為P≈0.03+1.35D+0.03D²。例如D=20%，即0.2時，P≈0.3，即30%。孔隙度誤差為±4%。

所燒結的多孔TiNb合金的平均孔隙尺寸比造孔劑的平均粒度大30--50微米。

所述的多孔TiNb合金，孔隙度為9.8--71.3%，孔隙度沿徑向呈現出梯度變化的特征，平均孔隙尺寸為80--550微米，具有立方體形狀孔隙結構，具有優良的生物相容性。

本發明的優點：

本多孔梯度TiNb合金具有與人體硬組織匹配的彈性模量，多孔梯度的孔隙結構與人體松質骨的微觀結構相似。可用于骨骼、牙根等的替換與修復，是理想的硬組織替代材料。本發明的工藝簡便易行，節能，環保，孔隙度范圍寬，平均孔隙尺寸范圍寬。

附圖說明

圖1是本發明方法中使用的模具示意圖。

圖2是制備多孔梯度生坯填料后示意圖。

具體實施方式

實施例一

一種多孔TiNb合金的制備方法，包括下述步驟：

（1）制作模具：

所述模具，包括底座1、外筒2、第一梯度套筒3、第二梯度套筒4、上座7。外筒2下端與底座1的圓形凸臺螺紋連接。底座1的底座圓形凸臺的上端面開設有第一環形凹槽5和第二環形凹槽6。第一梯度套筒3的下端插第一環形凹槽5內，間隙配合。第二梯度套筒4的下端插入第二環形凹槽6內，間隙配合（如圖1所示）。

（2）分別取平均粒度≤75微米的866g商用鈦粉和平均粒度≤75微米的466g鈮粉，在混料器中混合24小時，備用。取經過篩分的粒度范圍為50--150微米的138g造孔劑NaCl顆粒，備用。

（3）取上述混合后的鈦和鈮粉465g與上述氯化鈉顆粒25g在混料器中混合18小時，制成金屬粉末與造孔劑的混合物A，松裝在如圖1所示模具的外筒2（內徑為89mm）和第一梯度套筒3（外徑74mm）之間的環形區域中；取上述混合后的鈦和鈮粉446g與上述氯化鈉顆粒44g在混料器中混合18小時，制成金屬粉末與造孔劑的混合物B，松裝在如圖1所示模具的第一梯度套筒3（內徑72mm）和第二梯度套筒4（外徑52mm）之間的環形區域中；取上述混合后的鈦和鈮粉421g與上述氯化鈉顆粒69g在混料器中混合18小時，制成金屬粉末與造孔劑的混合物C，松裝在如圖1所示模具的第二梯度套筒4（內徑50mm）內；輕輕抽出第一梯度套筒3和第二梯度套筒4；如圖2所示，將上座7置于粉末上，在100MPa壓強下壓制成φ89mm×50mm的坯料。

（4）將上述壓制坯料浸沒在70^OC的純凈水中30分鐘，造孔劑NaCl會逐漸溶解在純凈水中，而后重新換純凈水；重復以上溶解過程15次，使造孔劑溶解。

（5）隨后將坯料放入真空燒結爐中以10℃/分鐘的速度加熱至1160℃保溫4小時，冷卻得到多孔梯度Ti-35Nb(wt%)合金。真空燒結爐（真空度0.1Ｐa）。

平均孔隙尺寸范圍為80-200微米, 為近立方體形狀形的孔隙結構。孔隙度為沿徑向依次呈現9.8%→15.2%→21.9%的梯度分布，孔隙度誤差為±4%。

實施例二

一種多孔TiNb合金的制備方法，包括下述驟：

（1）制作模具：

所述模具，包括底座1、外筒2、第一梯度套筒3、第二梯度套筒4、上座7。外筒2下端與底座1的圓形凸臺螺紋連接。底座1的底座圓形凸臺的上端面開設有第一環形凹槽5和第二環形凹槽6。第一梯度套筒3的下端插第一環形凹槽5內，間隙配合。第二梯度套筒4的下端插入第二環形凹槽6內，間隙配合（如圖1所示）。

（2）分別取平均粒度≤45微米的585g商用鈦粉和平均粒度≤45微米的390g鈮粉，在混料器中混合36小時，備用。取經過篩分的粒度范圍為150--300微米的240g造孔劑NaCl顆粒，備用。

（3）取上述混合后的鈦和鈮粉295g與上述氯化鈉顆粒110g在混料器中混合20小時，制成金屬粉末與造孔劑的混合物A，松裝在如圖1所示模具的外筒2（內徑83mm）和第一梯度套筒3（外徑68mm）之間的環形區域中；取上述混合后的鈦和鈮粉325g與上述氯化鈉顆粒80g在混料器中混合20小時，制成金屬粉末與造孔劑的混合物B，松裝在如圖1所示模具的第一梯度套筒3（內徑66mm）和第二梯度套筒4（外徑47mm）之間的環形區域中；取上述混合后的鈦和鈮粉355g與上述氯化鈉顆粒50g在混料器中混合20小時，制成金屬粉末與造孔劑的混合物C，松裝在如圖1所示模具的第二梯度套筒4（內徑45mm）內；輕輕抽出第一梯度套筒3和第二梯度套筒4；如圖2所示，將上座置于粉末上，在130MPa壓強下壓制成φ83mm×50mm的坯料。

（4）將上述壓制坯料浸沒在75^OC的純凈水中25分鐘，造孔劑NaCl會逐漸溶解在純凈水中，而后重新換純凈水；重復以上溶解過程18次，使造孔劑NaCl溶解。

（5）隨后將坯料放入真空燒結爐中以5℃/分鐘的速度加熱至1300℃保溫6小時，冷卻得到多孔Ti-40Nb(wt%)合金。真空燒結爐（真空度0.01Ｐa）。

平均孔隙尺寸范圍為180--350微米,為近立方體形狀的孔隙結構。孔隙度沿徑向呈現出39.7%→29.8%→19.9%的梯度。孔隙度誤差為±4%。

實施例三

一種多孔TiNb合金的制備方法，包括下述驟：

（1）制作模具：

所述模具，包括底座1、外筒2、第一梯度套筒3、第二梯度套筒4、上座7。外筒2下端與底座1的圓形凸臺螺紋連接。底座1的底座圓形凸臺的上端面開設有第一環形凹槽5和第二環形凹槽6。第一梯度套筒3的下端插第一環形凹槽5內，間隙配合。第二梯度套筒4的下端插入第二環形凹槽6內，間隙配合（如圖1所示）。

（2）分別取平均粒度≤165微米的373g商用鈦粉和平均粒度≤165微米的305g鈮粉，在混料器中混合48小時，備用。取經過篩分的粒度范圍為350--500微米的522g造孔劑NaCl顆粒，備用。

（3）取上述混合后的鈦和鈮粉200g與上述氯化鈉顆粒200g在混料器中混合24小時，制成金屬粉末與造孔劑的混合物A，松裝在如圖1所示模具的外筒2（內徑85mm）和第一梯度套筒3（外徑68mm）之間的環形區域中；取上述混合后的鈦和鈮粉228g與上述氯化鈉顆粒172g在混料器中混合24小時，制成金屬粉末與造孔劑的混合物B，松裝在如圖1所示模具的第一梯度套筒3（內徑66mm）和第二梯度套筒4（外徑47mm）之間的環形區域中；取上述混合后的鈦和鈮粉250g與上述氯化鈉顆粒150g在混料器中混合24小時，制成金屬粉末與造孔劑的混合物C，松裝在如圖1所示模具的第二梯度套筒4（內徑45mm）內；輕輕抽出第一梯度套筒3和第二梯度套筒4；如圖2所示，將上座置于粉末上，在150MPa壓強下壓制成φ85mm×60mm的坯料。

（4）將上述壓制坯料浸沒在80^OC的純凈水中30分鐘，造孔劑NaCl會逐漸溶解在純凈水中，而后重新換純凈水；重復以上溶解過程20次，使造孔劑NaCl溶解。

（5）隨后將坯料放入真空燒結爐中以4℃/分鐘的速度加熱至1350℃保溫8小時，冷卻得到多孔Ti-45Nb(wt%)合金。真空燒結爐（真空度1Ｐa）。

平均孔隙尺寸范圍為380-550微米,為近立方體形狀的孔隙結構。孔隙度沿徑向呈現出71.3%→61.6%→54.0%的梯度。孔隙度誤差為±4%。