粉末冶金法制备Ti-Mg合金的探索研究



粉末冶金法制备Ti-Mg合金的探索研究

钛合金具有良好的生物相容性、高比强度、高耐蚀性，可用于制作外科植入件。然而，钛合金的弹性模量(100 GPa)与人体骨骼的弹性模量(20～40 GPa)相差较大，易产生“应力屏蔽”。为了降低钛合金的弹性模量，拟采用粉末冶金的方法将弹性模量较低的材料均匀分散在弹性模量较高的基体材料中。为此，日本大学的科研工作者选择了弹性模量为45 GPa的镁作为添加元素。从Ti-Mg系的平衡相图来看，采用熔铸法不可能得到Ti-Mg合金。这是因为钛的熔点(1 941 K)在镁的沸点(1 361 K)以上，因此粉末冶金法是制备Ti-Mg合金最适宜的方法。本研究首先采用机械合金化法(MA)对Ti、Mg粉末进行复合，再通过放电等离子烧结法(SPS)将复合粉末固化成形。

实验选用纯度为99.5%、平均粒径在45 μm以下的纯钛粉末以及纯度为99.92%、平均粒径为100 μm的纯镁粉末作为原材料。MA处理前，纯钛粉末呈角状，纯镁粉末呈扁平状。在纯钛粉末中分别添加质量分数为10%、20%、30%的纯镁粉末，混合粉末的总质量为10 g，助剂选用油脂酸。用振动型球磨机对混合粉末分别进行4 h和8 h的MA处理，然后将其填充到直径为20 mm、高度为40 mm的石墨坩埚中进行SPS处理，升温速度为1.67 K/s，分别升温至673 K、773 K及873 K后，加压49 MPa，保持180 s制成块体。对得到的块体进行了X射线衍射分析；对复合粉末的显微维氏硬度以及块体的维氏硬度进行测定。

扫描电子显微镜(SEM)观测表明，经MA法处理8 h的复合粉末，其中含有的扁平状粉末的数量比经MA法处理4 h的要少。并且，随着MA处理时间的延长，粉末形态由扁平状逐步变化为球状。

复合粉末的显微维氏硬度测试结果表明，在相同的处理时间下，经MA法处理的复合粉末的硬度随着镁添加量的增加而降低。此外，MA处理时间越长，镁添加量对复合粉末显微维氏硬度的影响越显著。

块体的维氏硬度测定表明，Ti-10Mg复合粉末经MA处理4 h，烧结温度为873 K时，所得块体的硬度最高，为376 HV。当MA处理时间和烧结温度相同时，块体的硬度随Mg添加量的增加而降低。当复合粉末中Mg的质量分数为30%，MA处理时间为8 h，烧结温度为773 K时，所得到的Ti-Mg合金块体的维氏硬度最低，在100 HV左右，这表明块体的硬度可通过添加的Mg的质量来控制。此外，X射线衍射分析表明，Ti-Mg合金块体中存在着低弹性模量的纯Mg相，这提高了制备低弹性模量材料的预想空间。

上述仅为此项研究的初步探索实验，今后还将对其拉伸性能、弹性模量进行测试，深入研究高强度、低弹性模量的最佳组成及工艺条件，并对其在体液中的腐蚀行为进行模拟。

吴全兴摘译自《チタソ》