钛与羟基磷灰石的粉末冶金复合化研究

钛是金属生物材料中适用性最广的材料，但由于钛的杨氏模量(100 GPa 左右)比人体骨骼(20 ～40 GPa)的大得多，埋入骨中后会由于应力负荷状态引起应力屏蔽现象，使生物材料难以发挥充分的效能。对于生物医用钛粉末冶金材料，最重要的是要使羟基磷灰石(HAP)在钛基体中均匀分散，为此对钛与羟基磷灰石的粉末冶金复合化方法进行了研究。采用机械合金化(MA)的方法可以把在钛粉中的羟基磷灰石粉末在固相状态下均匀分散制成复合粉末，使用振动型球磨罐(球磨罐是8 字形轨迹振动)使容器内粉末达到搅拌混合。采用放电等离子烧结的方法进行复合粉末的固化成形。

实验原料采用粒径44 μm 的纯钛粉和生物材料用HAP 粉末。在钛粉中混入质量分数为0%～30%的HAP 粉末，并添加0.25 g 甘油三硬脂酸酯添加剂，混合粉末总量为10 g。球磨采用70 g 工业钢磨球，在氩气气氛下球磨4 h 和8 h。放电等离子烧结(SPS)采用φ20 mm 的石墨模，升温速度1.67 K/s，升至1 273 K 后，加压49 MPa，保持0.18 ks 成形。实验各阶段采用多种仪器进行分析和表征。实验表明，当HAP 的添加量在20%以下时，混合粉末经MA 处理其HAP 固相未分解，而混入30% HAP 的粉末经MA 处理后其相组成发生了明显的变化。再经SPS 处理的材料，添加10%及20% HAP 的出现了CaO 相，而混加30% HAP 的除了CaO 相外还出现了TiN 及CaTiO3相。测试了不同HAP 粉末添加量的SPS 材料的硬度和相对密度，并与纯钛的SPS 材料进行了比较。实验表明，纯钛的SPS 材料的密度接近100%，而添加HAP 的SPS 材料的密度超过100%。含HAP 的SPS 材料的维氏硬度在不同实验条件下均比纯钛高4 900 MPa 以上，而且随着HAP添加量的增加而增大。Ti-30 HAP，MA 8 h 的SPS 材料的维氏硬度最高，达16 758 MPa。目前正在研究这种材料的腐蚀性能，期望今后大力开展这方面的研究，并积累各种数据以开拓新的产业领域。