医用多孔NiTi形状记忆合金的制备及性能研究

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多孔NiTi形状记忆合金因具有独特的形状记忆效应及超弹性、良好的生物相容性和能通过孔结构参数调整达到要求的生物力学性能在硬组织替代材料和外科植入材料方面具有广阔的应用前景。传统的粉末冶金方法存在产品孔结构控制困难的问题,同时,多孔NiTi合金在植入体内会因大量Ni2+析出存在致癌的威胁。本文以NH4HCO3作为造孔剂,利用元素粉末混合烧结法制备多孔NiTi形状记忆合金,通过分析烧结工艺参数对多孔NiTi合金的物相组成、孔结构及压缩性能的影响规律与机制,确定了合适的制备工艺,并对该工艺下制备的烧结试样的形状记忆效应进行研究;为提高多孔NiTi合金的生物相容性,对试样进行了低温去合金化表面处理。研究结果如下:(1)制备多孔NiTi形状记忆合金的最优工艺参数为:造孔剂添加量50vol.%,压制压力250MPa,烧结温度1000℃,保温时间6h,500℃热处理1h。制备的多孔NiTi形状记忆合金试样孔结构均匀、形状规则,平均孔径为317μm,孔隙率为56.3%,符合骨植入材料的孔结构要求;相组成主要为B2(NiTi)相、B19’(NiTi)相、Ti2Ni相和TiNi3相,其中B2相为主相;压缩强度为61.38MPa,弹性模量为3.97GPa,与人体骨骼压缩性能的表现相近,具备良好的力学相容性。(2)随着压制压力的增加,多孔NiTi形状记忆合金的孔隙率、平均孔隙尺寸都减小,而压缩强度和弹性模量则逐渐增加。在一定的温度范围内,随烧结温度升高,多孔NiTi形状记忆合金的平均孔隙尺寸和孔隙率先增大后减小,孔结构趋于均匀,孔壁逐渐光滑,压缩强度和弹性模量均增加;随保温时间的延长,试样液化现象明显,孔隙平均尺寸逐渐减小,压缩强度和弹性模量增加,保温时间超过6h,多孔NiTi形状记忆合金的孔隙率会降低;随着造孔剂添加量的增加,多孔NiTi合金的压缩强度和弹性模量明显降低。(3)XRD结果表明,热处理不能消除多孔NiTi合金中的Ti2N、TiNi3杂质相;DSC曲线表明,热处理后,试样中弥散的杂质相会使基体中Ni的含量降低,从而提高Ms,使相变温度区间变宽:未进行热处理试样的相变温度区间为328.3K~397.7K;热处理后相变温度区间为323.4K-402.5K。(4)对多孔NiTi形状记忆合金的形状记忆效应测试表明,试样在预应变达到3%左右发生了永久变形,而预应变为2%的试样形状恢复率为97.6%,对应的最大形状恢复力为17.2MPa。(5)50℃低温去合金化处理能有效去除多孔NiTi形状记忆合金表面的镍元素,在去镍层原位生成TiO,使合金表面逐渐形成网状结构,XRD分析及能谱分析表明,去合金化11h能在试样表面形成深度为445.3μm的无镍层。
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