钛及钛合金具有较低的弹性模量、无毒性、优异的耐腐蚀性能和生物相容性等特点,在生物医用材料领域备受青睐,应用前景广阔。然而影响钛合金在医用领域广泛应用的根本原因在于钛合金的高成本。粉末冶金由于具有近净成形,材料利用率高等优点,可以显著降低钛及钛合金的制造成本。尤其适用于几何形状复杂的生物医用钛合金的制备。近β型Ti-13Nb-13Zr合金,具有良好的生物相容性,与人体骨接近的弹性模量,有望成为下一代生物医用金属材料。本文采用新的粉末冶金方法,以氢化钛粉代替传统钛金属粉末,作为成形和烧结的原材料。采用混合元素法,通过直接烧结TiHH2粉及合金氢化物粉,在烧结过程中直接进行脱氢,制备钛及钛合金。采用热膨胀仪,TG-DSC热重差热分析,X射线衍射(XRD),SEM及力学性能检测等手段研究了氢化物热分解脱氢过程、烧结致密化过程、烧结样显微组织和力学性能。首先对氢化物分解反应的热力学和动力学进行分析,为确定最佳脱氢-烧结工艺提供理论依据。热重差热分析结果表明,TiH2.NbH和ZrH2发生显著失重的脱氢温度区间分别是450℃C-650℃,400℃-550℃,650℃-800℃。TiHH2压坯的脱氢分解过程可以用收缩性未反应核模型来描述,随着反应的进行,产物Ti层厚度增大,固体反应物TiHH2核心逐渐减小,直到消失。对不同尺寸的TiH2压坯在600℃进行TG热重脱氢实验,分析结果表明氢化钛压坯的脱氢过程受内扩散控制。由此得到柱状氢化钛压坯在600℃时脱氢分解,转化率与时间的关系式：t=r02/1.47[-x-(1+x)ln(1-x)]通过对TiH2、NbH和ZrH2脱氢特性分析以及低温脱氢实验,确定制备纯钛及Ti-6Al-4V合金时,脱氢工艺为在650℃时脱氢1h。制备Ti-13Nb-13Zr时,脱氢工艺为650℃保温1h和800℃保温30min。综合考虑烧结温度和时间对烧结样致密度和晶粒尺寸的影响,得出纯钛和Ti-6A1-4V合金的最佳烧结条件为：在1200℃烧结4h；Ti-13Nb-13Zr合金的最佳烧结条件为：在1300℃烧结4h。实验制备的纯钛烧结样为等轴状α组织。Ti-6Al-4V合金具有α+β两相组织,α相和β相呈片状交替排列,形成类似网篮的片状组织。Ti-13Nb-13Zr合金具有典型的魏氏Widmannstatten(α+β)两相显微组织,由平行的α片状集束嵌入β基中组成。在1200℃烧结4h制备的纯钛和Ti-6Al-4V合金烧结样,抗拉强度分别为680Mpa和989Mpa。在1350℃烧结4h制备的Ti-13Nb-13Zr合金,抗拉强度可达到1094MPa。采用粉末冶金新工艺制备的CP-Ti、Ti-6Al-4V和Ti-13Nb-13Zr合金,烧结样相对密度均可达到98%以上,抗拉强度均超过标准,延伸率和断面收缩率较低。其中纯钛和Ti-6Al-4V合金经过挤压和旋锻加工后,抗拉强度降低,塑性得到较大改善,延伸率分别可达到30%和16%,力学性能均达到或超过GB/T2965-2007的标准,达到了预期目标。可见采用直接烧结氢化物工艺,制备钛及钛合金的方法是合理可行的。
