多孔钛的孔隙率、孔型、孔径和孔径分布是影响多孔钛力学性能和生物相容性的关键因索。多孔钛因提高孔隙率,减小弹性模量来避免应力屏蔽及相关问题的同时,导致强度的大幅降低。为制备满足生物移植对力学性能及生物适应性需求的多孔钛材料,木文采用粉末冶金法,以Ti粉、TiO2粉以及TiH2粉为原料,通过放电等离子烧结法(SPS)制备了多孔钛,并对其性能和造孔机理进行了研究。为调控多孔钛的力学性能,实验以-TiO2作为氧源,研究了 TiO2在Ti基体中的分解机理以及氧的固溶强化作用。在此基础上,研究选用TiH2作为造孔剂,以Ti-TiO2-TiH2为原料制备了多孔钛。通过改变TiH2的含量,对多孔钛的烧结工艺及参数进行摸索,以确定最佳烧结工艺,达到对孔隙率、孔型、孔径和孔隙分布等孔隙特征的控制,并研究其对多孔钛的孔隙率、物相、显微结构以及力学性能的影响。主要研究内容和结论如下:TiH2、TiO2以及TiH2-TiO2和Ti-TiO2-TiH2混合粉末分解行为研究:热分析实验结果表明,TiO2的分解温度在500-810 ℃范围内;TiH2在438-750 ℃温度范围内发生TiH2→TiHx→Ti的分步分解;在TiHz-TiO2体系中,分解发生在440-730℃之间,随着TiH2与TiO2的含量比增大,混合粉末吸热峰逐渐向低温偏移,TiH2含量的增加会促使TiO2的分解温度降低,且随着TiO2含量增加,分解温度逐渐升高;在Ti-TiO2-TiH2体系中,当TiH2与TiO2的含量比与TiH2-TiO2体系中TiH2与TiC2的含量比一致时,Ti-TiO2-TiH2混合粉末的分解温度较高,在480-780℃温度范围内,Ti的添加促使混合粉末的吸热峰向高温偏移。TiO2对Ti基体显微结构及力学性能的影响:随着烧结温度由800 ℃升高至1000℃,Ti-1.0wt%TiO2的XRD衍射峰向左偏移量逐渐增大;与纯Ti相比,TiO2在低温未分解时作为固体在粉末问隙中占有部分空间,分解后生成的氧原于扩散出去或固溶到Ti基体中,其原先所在的空位被保留下来聚集形成孔隙起到造孔作用。此外,随着温度升高,烧结颈增大,孔隙不断收缩或消失,使烧结体致密度逐渐增加,孔隙率降低,孔径减小,且孔形由不规则形状转变为球形;TiO2分解产生的氧固溶到Ti基体中引起Ti的晶格畸变,提高了材料的硬度,1000℃时,纯Ti硬度为218Hv,而Ti-1.0wt.%TiO2的硬度达到了 349 Hv。多孔钛烧结工艺研究:采用SPS烧结,试样预装两端压头各预留2 mm位移的方法,低温时,试样进行热预压过程,当两端压头位移达到2mm后进入无压烧结。当烧结温度从900 ℃升高到1200 ℃时,粉体颗粒之间有明显的烧结颈产生,且随着温度升高,烧结颈逐渐增大,粉末一次颗粒边界逐渐消失;烧结最佳温度为1200 ℃时,孔形呈蠕虫状及圆球形的连通孔,孔隙分布均匀。TiH2对多孔钛的显微结构及力学性能的影响:在Ti-5%TiO2-x%TiH2多孔体系中,随着造孔剂TiH2含量由20%增加至50%,孔隙率由29.43%增加到了 35.22%;显微结构分析发现,孔径在3-30μm之间,多孔钛孔形由不规则椭圆形逐渐向不规则的长条状椭圆形转变,孔隙孔型均属于相互连通的开孔,而且随着孔隙率的增加,孔隙逐渐相互连通在一起,呈现出不同方向上的长条状孔隙,使孔隙的连通性变大;TiH2的添加促使TiO2的分解温度降低,烧结温度为1200℃时,TiO2分解更彻底,分解生成的氧原子量增多,在Ti基体中的固溶量增多,导致Ti的衍射峰向左偏移量增大;随着TiH2含量由20%增加至50%,多孔钛Ti-5%TiO2-x%TiH2的压缩强度由1023 MPa减小到437 MPa,且当TiH2含量小于50%时,Ti-5%TiO2-50%TiH2的硬度均大于纯Ti的硬度,Ti-5%TiO2-x%TiH2体系的硬度均大于Ti-x%TiH2体系的硬度,说明TiO2分解的氧固溶到Ti基体中对多孔钛起到固溶强化作用;在Ti-5%TiO2-x%TiH2体系中,弹性模量因为孔隙率的持续下降由10.42 GPa降低到6.13 GPa,由于TiO2分解生成的氧属于α-Ti稳定元素导致多孔钛Ti-5%TiO2-x%TiH2的弹性模量大于Ti-x%TiH2的弹性模量。