第9期 杨栋华等：凝胶注模成形多孔T一7.Mo合金的孔隙及力学性能 ·1123. 结(DLMS))、激光工程化净成形(LENSTM)o- 基双丙烯酰胺(MBAM),引发剂过硫酸铵(APS),催 和电子束熔炼技术(EBM)s-等新型多孔金属制 化剂N,N,N,N'四甲基乙二胺(TEMED)和油酸 备方法，制备出具有功能梯度孔隙度和蜂窝状的多 等试剂均为分析纯，首先取AM'MBAM=90:溶解 孔钛合金；但存在高成本和低效率等缺点，传统粉 于去离子水中，配制成不同浓度的预混液，然后加入 末治金法具有生产工艺简单，成本低，能控制制品的 适量油酸，调节H值为9~10后与TiMo粉混合 孔隙度和孔径等优点，但其组织结构均匀性难以保 搅拌，并在保护气氛下球磨5~10h后获得均匀悬 证，并且只能生产简单形状零件，机加工性能差 浮浆料.经过真空除泡后加入适量催化剂TEMED 金属凝胶注模成形技术不仅具有粉末冶金法的 和引发剂过硫酸铵，混合均匀后将浆料注入模具，在 优点，而且具有设备简单、成形坯体组织结构均匀、 60℃下浆料固化成为所需形状和尺寸的坯体，把固 缺陷少、不需脱脂、不易变形、易成形复杂形状零件 化后的坯体置于60~80℃的真空干燥箱中干燥4~ 及孔隙度可控等突出优点，对医用钛合金领域特别 8h最后把获得的干坯在小于2.0×10-2Pa的真空 是个性化治疗用植入件有潜在的应用前景，本文在 管式炉内完成脱脂和烧结，烧结温度为1000℃，保 纯钛及合金凝胶注模工艺5-的基础上，通过添加 温时间2h 无毒元素Mo研究了Ti7.5Mo合金的凝胶注模成 采用NDJ~1型旋转式黏度计（剪切速率为 形工艺，并对影响多孔合金的孔隙性能和力学性能 60s)测量了浆料的黏度；采用剑桥S-250MK2扫 的工艺参数进行了分析，以满足医用植入材料的 描电子显微镜对Ti一Mo混合粉末及多孔TiMo合 要求 金试样的显微组织进行观察；采用日本理学公司的 1实验 D MAX RB型X射线衍射仪对TiMo合金烧结体 的相组成进行了测试：用真空浸渍法测量了烧结体 实验原料为不规则的氢化脱氢纯钛和结晶纯钼 的孔隙性能；采用CMT4305电子材料力学性能试验 粉末，粉末特性及化学成分如表1所示.本文采用 机对试样的力学性能进行了测量，其中抗弯强度采 有利于凝胶注模工艺的振动球磨方式混合粉末，对 用三点弯曲法，试样尺寸为6mm×6mm×40mm,跨 钼质量分数为7.%的TiMo粉体进行振动球磨， 距为30mm(GB/T228-2002),加载速率为 球磨机震动频率为23.2Ha2h后获得混合均匀的 0.5 mm*m in;压缩强度测试试样尺寸为中10mm× Ti7.5Mo粉体.实验采用水基丙烯酰胺凝胶体系， 20mm(GB7314-87)- 所用有机单体丙烯酰胺(AM),交联剂N,N亚甲 表1纯钛和纯钼粉末原料特性及化学成分 Table 1 Characteristics and chem ical composition of pure Ti powders and Mo powders 化学成分（质量分数）% 粉末原料 平均粒径加m 0 H N 哈 CI si Ni Ti Mo 纯钛粉 46.6 0.25 0.02 0.04 0.02 0.06 0.05 0.02 0.00 Bal. 0.00 纯钼粉 38.0 0.20 0.07 0.05 0.05 0.06 0.05 0.02 0.02 0.00 Bal. 2结果与讨论 于不规则T粉末周围，并有部分机械附着于T颗 粒表面，不规则的纯T粉末浆料的流变特性较差， 2.1TiMo混合粉末悬浮浆料的流变特性 不容易获得均匀稳定的浆料，经过与结晶Mo粉振 悬浮浆料的流变特性和分散稳定性是凝胶注模 动球磨混合后，虽然其形状和粒度未发生大的改变， 工艺制备孔隙及力学性能优异，且在一定范围内可 但是其稍微圆滑的边角及细小M0粉的附着对其浆 控的多孔TiMo合金的关键.通常，浆料的流变性 料的分散流动性有一定程度的改善， 能和分散稳定性不仅受分散剂种类及用量的影响， 与纯T粉相比，不同固相含量Ti7.5Mo合金 而且与球磨粉末原料和单体质量分数等凝胶注模工 粉末对其浆料黏度（预混液单体质量分数均为 艺参数密切相关.图1所示为振动球磨2h后的Ti 20%,剪切速率为60s)的影响如图2所示.由于 7.5Mo混合粉末的扫描电镜(SEM)形貌，其中大颗 其不规则形状，固相含量的提高导致浆料黏度急剧 粒的结晶Mo粉经过振动球磨后，细小均匀地分散 升高，但是，在相同固相含量的情况下，T一7.5Mo第 9期 杨栋华等： 凝胶注模成形多孔 Ｔｉ--7∙5Ｍｏ合金的孔隙及力学性能 结 （ＤＬＭＳ） ［9］、激光工程化净成形 （ＬＥＮＳＴＭ） ［10－12］ 和电子束熔炼技术 （ＥＢＭ） ［13－14］等新型多孔金属制 备方法‚制备出具有功能梯度孔隙度和蜂窝状的多 孔钛合金；但存在高成本和低效率等缺点．传统粉 末冶金法具有生产工艺简单‚成本低‚能控制制品的 孔隙度和孔径等优点‚但其组织结构均匀性难以保 证‚并且只能生产简单形状零件‚机加工性能差． 金属凝胶注模成形技术不仅具有粉末冶金法的 优点‚而且具有设备简单、成形坯体组织结构均匀、 缺陷少、不需脱脂、不易变形、易成形复杂形状零件 及孔隙度可控等突出优点‚对医用钛合金领域特别 是个性化治疗用植入件有潜在的应用前景．本文在 纯钛及合金凝胶注模工艺 ［15－16］的基础上‚通过添加 无毒元素 Ｍｏ研究了 Ｔｉ--7∙5Ｍｏ合金的凝胶注模成 形工艺‚并对影响多孔合金的孔隙性能和力学性能 的工艺参数进行了分析‚以满足医用植入材料的 要求． 1 实验 实验原料为不规则的氢化脱氢纯钛和结晶纯钼 粉末‚粉末特性及化学成分如表 1所示．本文采用 有利于凝胶注模工艺的振动球磨方式混合粉末‚对 钼质量分数为 7∙5％的 Ｔｉ--Ｍｏ粉体进行振动球磨‚ 球磨机震动频率为 23∙2Ｈｚ‚2ｈ后获得混合均匀的 Ｔｉ--7∙5Ｍｏ粉体．实验采用水基丙烯酰胺凝胶体系‚ 所用有机单体丙烯酰胺 （ＡＭ）‚交联剂 Ｎ‚Ｎ′-亚甲 基双丙烯酰胺 （ＭＢＡＭ）‚引发剂过硫酸铵 （ＡＰＳ）‚催 化剂 Ｎ‚Ｎ‚Ｎ′‚Ｎ′-四甲基乙二胺 （ＴＥＭＥＤ）和油酸 等试剂均为分析纯．首先取 ＡＭ∶ＭＢＡＭ＝90∶1溶解 于去离子水中‚配制成不同浓度的预混液‚然后加入 适量油酸‚调节 ｐＨ值为 9～10后与 Ｔｉ--Ｍｏ粉混合 搅拌‚并在保护气氛下球磨 5～10ｈ后获得均匀悬 浮浆料．经过真空除泡后加入适量催化剂 ＴＥＭＥＤ 和引发剂过硫酸铵‚混合均匀后将浆料注入模具‚在 60℃下浆料固化成为所需形状和尺寸的坯体．把固 化后的坯体置于60～80℃的真空干燥箱中干燥4～ 8ｈ‚最后把获得的干坯在小于 2∙0×10 －2 Ｐａ的真空 管式炉内完成脱脂和烧结．烧结温度为 1000℃‚保 温时间 2ｈ． 采用 ＮＤＪ--1型旋转式黏度计 （剪切速率为 60ｓ －1 ）测量了浆料的黏度；采用剑桥 Ｓ--250ＭＫ2扫 描电子显微镜对 Ｔｉ--Ｍｏ混合粉末及多孔 Ｔｉ--Ｍｏ合 金试样的显微组织进行观察；采用日本理学公司的 Ｄ／ＭＡＸＲＢ型 Ｘ射线衍射仪对 Ｔｉ--Ｍｏ合金烧结体 的相组成进行了测试；用真空浸渍法测量了烧结体 的孔隙性能；采用 ＣＭＴ4305电子材料力学性能试验 机对试样的力学性能进行了测量‚其中抗弯强度采 用三点弯曲法‚试样尺寸为 6ｍｍ×6ｍｍ×40ｍｍ‚跨 距 为 30ｍｍ （ＧＢ／Ｔ228－2002）‚加 载 速 率 为 0∙5ｍｍ·ｍｉｎ －1；压缩强度测试试样尺寸为 ●10ｍｍ× 20ｍｍ （ＧＢ7314－87）． 表 1 纯钛和纯钼粉末原料特性及化学成分 Ｔａｂｌｅ1 ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｐｕｒｅＴｉｐｏｗｄｅｒｓａｎｄＭｏｐｏｗｄｅｒｓ 粉末原料 平均粒径／μｍ 化学成分 （质量分数 ）／％ Ｏ Ｈ Ｎ Ｃ Ｆｅ Ｃｌ Ｓｉ Ｎｉ Ｔｉ Ｍｏ 纯钛粉 46∙6 0∙25 0∙02 0∙04 0∙02 0∙06 0∙05 0∙02 0∙00 Ｂａｌ∙ 0∙00 纯钼粉 38∙0 0∙20 0∙07 0∙05 0∙05 0∙06 0∙05 0∙02 0∙02 0∙00 Ｂａｌ∙ 2 结果与讨论 2∙1 Ｔｉ--Ｍｏ混合粉末悬浮浆料的流变特性 悬浮浆料的流变特性和分散稳定性是凝胶注模 工艺制备孔隙及力学性能优异‚且在一定范围内可 控的多孔 Ｔｉ--Ｍｏ合金的关键．通常‚浆料的流变性 能和分散稳定性不仅受分散剂种类及用量的影响‚ 而且与球磨粉末原料和单体质量分数等凝胶注模工 艺参数密切相关．图 1所示为振动球磨 2ｈ后的Ｔｉ-- 7∙5Ｍｏ混合粉末的扫描电镜 （ＳＥＭ）形貌‚其中大颗 粒的结晶 Ｍｏ粉经过振动球磨后‚细小均匀地分散 于不规则 Ｔｉ粉末周围‚并有部分机械附着于 Ｔｉ颗 粒表面．不规则的纯 Ｔｉ粉末浆料的流变特性较差‚ 不容易获得均匀稳定的浆料．经过与结晶 Ｍｏ粉振 动球磨混合后‚虽然其形状和粒度未发生大的改变‚ 但是其稍微圆滑的边角及细小 Ｍｏ粉的附着对其浆 料的分散流动性有一定程度的改善． 与纯 Ｔｉ粉相比‚不同固相含量 Ｔｉ--7∙5Ｍｏ合金 粉末对其浆料黏度 （预混液单体质量分数均为 20％‚剪切速率为 60ｓ －1 ）的影响如图 2所示．由于 其不规则形状‚固相含量的提高导致浆料黏度急剧 升高．但是‚在相同固相含量的情况下‚Ｔｉ--7∙5Ｍｏ ·1123·