[发明专利]可控孔隙特征轻质高强多孔镍钛记忆合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及多孔镍钛形状记忆合金制备，特别是涉及具有孔隙特征可控性好、低密度、高强度和力学性能稳定的多孔镍钛形状记忆合金的制备方法。

背景技术

镍钛形状记忆合金是一种新型的功能材料，具有独特的形状记忆效应、相变超弹性、良好的生物相容性、耐腐蚀性、耐磨性和高抗疲劳性。镍钛合金上述优异特点使其作为生物医学材料具有独特的优势。目前，致密镍钛形状记忆合金已经被广泛应用于口腔、骨科、神经外科、心血管系统、泌尿系统等医学领域。随着介入医学的发展，镍钛形状记忆合金涉及的医学领域更广，将具有更广阔的应用前景。多孔镍钛形状记忆合金由于具有优良的形状记忆效应、超弹性、抗蚀性和良好的生物相容性等一系列优点，极具医用价值，因而引起了世界各国科学家的关注。只有重视并加速我国多孔镍钛记忆合金的研制开发，我国才能在世界范围内的生物医用材料领域争得一席之地。

目前实验室和工业上制备多孔金属和合金的方法主要有：熔体铸造法、金属沉积法及粉末冶金法。这些方法存在三方面不足：一是所制备样品的孔隙率可控性不高，样品性能随机性较大；二是很难得到大尺寸孔隙结构、孔隙分布均匀、高孔隙率的多孔镍钛合金；三是当孔隙率提高时，样品的强度和超弹性下降。孔隙特征(孔隙率和孔隙形貌)对多孔镍钛合金的力学性能影响很大，孔隙不规则的尖锐处往往是应力集中区，这在一定程度上降低了合金强度。因此，合理地改善孔隙特征，使孔隙特征具有很好的可控性是提高多孔镍钛记忆合金强度的行之有效方法。发明人于2006年12月25日在申请号为200610124394.7的中国发明专利申请中通过向镍钛合金粉中添加易分解的碳酸氢铵颗粒作造孔剂，改善了孔隙特征，提高了多孔镍钛合金的孔隙率和力学性能，但提高的幅度不是很大。碳酸氢铵在较低的温度下即可分解，室温混粉压制过程中即可造成碳酸氢铵的大量损耗，致使镍钛粉末和碳酸氢铵的质量比往往偏离最初的设计值，不易准确控制孔隙率，样品的性能重复性不理想，力学性能稳定性不高。此外，在混粉压制及去除造孔剂等过程中，碳酸氢铵在远低于镍钛粉反应温度下即可分解。分解后可在生坯内预先形成大量的孔，但其中一部分孔会在后续的高温烧结时封闭，因而降低了孔隙的连通性。另外，市场上销售的碳酸氢铵粉末大都为细小针片状，由碳酸氢铵分解后所形成的孔的边缘多呈尖锐形状。当样品在外力作用下，易于在孔隙的尖锐区发生断裂，影响了多孔镍钛合金的强度和应力诱发相变所控制的超弹性行为。总之，添加碳酸氢铵作造孔剂虽然可在一定程度上改善孔隙特性，但不易精确控制造孔剂在制备过程中的损耗，制备出的样品性能不够稳定，工艺重复性还需改善。

发明内容

本发明的目的是针对采用碳酸氢铵作为造孔剂时存在的缺点，提供一种可控孔隙特征轻质高强多孔镍钛记忆合金的制备方法，以获得孔隙特征可控性好、低密度、高强度且超弹性能力稳定的多孔镍钛形状记忆合金。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种可控孔隙特征轻质高强多孔镍钛记忆合金的制备方法，包括如下步骤和工艺条件：

(1)按照镍、钛原子比为50～51％∶49～50％，将纯镍粉和纯钛粉混合均匀；

(2)以质量分数计，按10～30％的比例，将球形或近球形的尿素粉末与步骤(1)所得的混合粉充分混合；

(3)将步骤(2)所得粉末在室温下压制成原始孔隙率为30％～60％且尿素颗粒均匀分布的生坯；

(4)将压制好的坯料放入惰性气体保护下的加热炉中预热1～2小时，控制温度在200～300℃，使造孔剂尿素分解而去除；

(5)按梯级加热方式升温，梯级加热温度范围分别为：820～860℃为一级梯度温度范围；950～1150℃为二级梯度温度范围；将坯料以10～30℃/min的速率加热至一级梯度温度范围，保温5～10分钟；然后以10～20℃/min的速率加热至第二级梯度温度范围，保温1～3小时，制得具有高孔隙率和高强度的多孔镍钛形状记忆合金。

本发明按上述方法可以得到孔隙特性和力学性能均优异的多孔镍钛形状记忆合金，孔隙率范围为31～62％，孔的平均尺寸大小可根据不同处理工艺在290～730μm之间变化，开孔率可达90％。相变特征和温度可按具体使用要求进行调整，以适合不同条件下人体硬组织修复和植入的需要。

本发明原理：首先利用固态的尿素颗粒在冷压坯中预制孔隙，然后利用下列缩聚反应