医用多孔镁基合金材料制备技术的研究进展 (1)

医用多孔镁基合金材料制备技术的研究进展医用多孔镁基合金材料制备技术的研究进展 1 1 热加工工艺 xx年第39卷第04期材料热处理技术Materialporous magnesiumalloys preparation表1几种植入 材料和骨的力学性能Tab 1Mechanical propertiesof someembedded materialsandbones弹性模量 GPa屈服强度 MPaTi 6Al 4V110960 970Ti 6Al 7Mn1051024316L不锈钢xx65 950镁合金45100 150多孔镁 孔隙34 45 0 911人体骨骼0 6 1 54 16 xx 08 04基金项目 浙江省教育厅科技基金资助项目 Yxx05399 温州市重 点科研基金资助项目 Gxx0045 作者简介 牛丽媛 1963 女 吉林长春人 高级工程师 博士 电话 0577 88313017 E mail nly sina 金属材料 1Hot WorkingTechnologyxx Vol 39 No 04材料热处理技术Material Heat Treatmentxx年2月列出了几种钛合金 不锈钢 多孔镁与人体骨骼 的力学性能 5 6 从表1可看出 多孔镁的弹性模量 屈服强度与人体骨骼极为接近 人骨的力学性能是它最重要的功能之一 致密金属植入材料的弹性模量比人体松质骨的弹性模量要大许多 这样植入体部位在承受载荷时由于受力不均会造成一定的痛苦 多 孔镁的弹性模量和屈服强度比其他的金属材料低 但是它的弹性模 量却可以达到最接近人骨的弹性模量 而屈服强度却不低于人骨 对于人骨来说输送人的体液和养料也是其中的一个重要功能 多孔 镁内部的孔洞存在恰好便于体液和养料的输送 可以通过选择造孔剂颗粒的大小和含量从而调节多孔镁的孔径和孔 隙率 使得多孔镁与人骨具有相近的弹性模量和孔径 以满足作为 植入人体材料的要求 2医用多孔镁基合金的研究进展目前多孔材料的制备方法已经发展了 渗流铸造法和粉末冶金法等20余种方法 自20世纪90年代以来 哈佛大学 剑桥大学 德国的Fraunhofer材 料研究所 东京大学等对多孔金属材料的制备工艺和性能进行了广 泛的研究 获得了一些研究成果 7 张建良等 8 研究了镁基合金处理纯净材料的机理和物化性能 冒国兵等 9 研究了采用新型填料制备泡沫镁和泡沫铝材料的方法 他们采用MgSO4作为填料 Mg被腐蚀的程度比常用的NaCl填料显著降 低 制备出了孔隙率为71 4 孔径在1 1 4mm的泡沫镁 他们认为 在铸型预热温度 Mg液浇注温度 负压值足够大和Mg液 量足够的条件下进行渗流试验 能够获得完整且高度可控的泡沫镁 试样 徐建辉等 10 研究了真空渗流铸造法制备泡沫镁合金材料的方法 实验表明 在MgSO4填料不含水分且镁液充足的条件下 用CO2作保 护性气体能够抑制MgSO4作为填料渗流镁液时可能发生的爆炸现象 刘荣等 11 对铸造镁合金泡沫复合材料的组织及缓冲性能进行了研 究 沈剑等 12 对多孔生物镁的制备与力学性能进行了研究 沈剑等 13 又进行了更进一步的研究 采用粉末冶金法制备多孔镁 孔隙率可在20 55 变化 当孔隙率从20 增加到43 时 杨氏模 量从2 11GPa下降到0 19GPa 王玲 14 对镁铝泡沫复合材料的基体组织及冲击性能进行了研究 吕学旺等 15 研究了AZ91镁合金泡沫材料的制备 他们利用NaCl颗 粒作为预制型 采用渗流铸造方法制备了AZ91泡沫合金 样品孔隙 之间具有良好的连通性 泡沫密度为0 724g cm3 孔隙率为60 2 万疆等 16 采用定向凝固法制备了藕状多孔镁 研究了气压对定向凝固藕状多孔镁的气孔分布影响 结果表明纯氢条件下气压越高 孔尺寸分布越趋于一致 孔位置和 气孔结构单元分布越均匀 氢气分压一定 选择合适的氩气分压可 使熔体共晶凝固时 孔尺寸 孔位置和气孔结构单元的分布最均匀 陈乐平等 17 对真空渗流法制备泡沫镁合金的工艺进行了研究 实 验包括填料的选择 预制块的制作和真空渗流三个部分 结果表明 MgSO4颗粒尺寸和粘接剂含量对MgSO4预制块的抗压强度 影响较大 颗粒尺寸越大 粘接剂含量越多 MgSO4预制块的抗压强 度越高 随渗流时间的增加 渗流成型高度不断增加 但渗流成型 高度的增长速率逐渐降低 陈乐平等 18 还研究了真空渗流法制备泡沫镁合金的工艺安全问题 王芳等 19 对海绵状泡沫镁合金制备技术进行了研究 他们利用具 有三维贯通孔结构的聚氨酯海绵作为母体材料 用石膏混合浆料灌 浆 硬化 干燥 焙烧后得到多孔石膏型 渗流镁液 凝固 清理 石膏型后得到与聚氨酯海绵结构相似的泡沫镁合金 试验中发现 镁合金在渗流过程中 有剧烈燃烧和爆炸现象发生 分析认为 多孔石膏型中的空气是发生燃烧爆炸的主要原因 采用气体保护 可消除爆炸燃烧现象 得到结构完美的海绵状泡沫 镁合金 从而得到完整泡沫镁试样的工艺参数石膏型预热温度600 650 镁液浇注温度720 740 真空度 0 02 0 04MPa 罗洪杰等 20 对镁基多孔材料的研究现状与展望进行了综述 文章介绍了镁基多孔材料的主要制备方法 包括熔模铸造法 触融 压铸法 固气共晶凝固法 真空发泡法 粉末冶金法 熔体直接发 泡法和渗流铸造法 分析了现有研究方法的主要特点 并着重对熔体直接发泡法制备镁 基多孔材料的工艺进行了讨论 给出了该种方法的原理工艺流程 多孔生物材料要求微米级孔隙 渗流铸造法显2 热加工工艺 xx年 第39卷第04期材料热处理技术Material Heat Treatment下半月出版然不如粉末冶金法 粉末冶金法是由传统的粉末冶金技术发展而来 后经不断的改进已 可以制备多种多孔金属材料 用粉末冶金方法制造产品时 金属的损耗只有1 5 而用一般熔 铸方法生产时 金属的损耗可能会达到80 在国内 医用多孔镁基合金的研究报道较少 葛鹏 21 研究了生物 相容的多孔钛和多孔镁的加工 介绍了制取多孔镁的加工步骤在充 分均匀的混合后 粉末混合物在轴向100MPa的压力下压成生坯 然 后经热处理将填料燃烧掉 再烧结成高孔隙度泡沫镁 泡沫镁的热处理由两步组成在200 保温5h和500 保温2h 文章还指出 生物相容性多孔镁 可以用粉末冶金的方法制取 并 可精确控制孔隙的几何形状 孔隙尺寸及金属的孔隙率 孔隙率 孔隙尺寸和孔隙几何形状可以通过间隙填料的选择来调整 泡沫镁被寄希望用作生物相容性的植入材料 因为其开放孔状结构 允许新骨细胞组织的生长和体液的传输 耿芳等 1 对多孔镁作为新型骨组织工程材料进行了研究探索 文章 介绍了多孔镁的制备方法 包括铸造法和粉末冶金法和激光加工法 作者认为 虽然可吸收磷酸钙基生物活性陶瓷材料具有良好的骨组 织相容性 但韧性太低 无法应用于承力骨组织修复 多孔镁作为骨组织工程材料具有明显的优势 多孔镁合金因其固有的特性将会是一种很有应用前景的新型骨组织 工程材料 3医用多孔镁基合金制备研究存在的问题及解决方案现有粉末冶金法 制备多孔镁基合金材料存在的问题是多孔镁的骨架部分不致密 导 致多孔材料强度不高 xx年美国在粉末冶金的晶粒细化研究上有了突破性进展 22 美国 匹兹堡的坩埚研究公司研制了一种新型具有纳米结构的粉末冶金钛 合金 是在预合金化的钛合金中添加了一定量的硼 添加硼可有效 地抑制合金在加热时的晶粒长大 合金中生成了稳定的TiB弥散相而 使其强度提高了25 30 这种晶粒细化的方法为多孔镁的制备提供了新的途径 事实上 多孔镁材料由孔隙部分和骨架部分组成 如图1所示 但这并不意味其骨架部分的结晶可以粗大疏松多孔 拥有细致结晶 的骨架仍然是保证其强度的重要因素 镁是最适合通过晶粒细化提高强度的金属 在多晶体镁结构特征中 晶粒细化对其屈服强度与延展性改善具有巨大作用与潜力 根据Hall Petch公式 0 Ky d 1 2镁的Hall Petch系数Ky 280MPa m 1 2 是铝的相应系数Ky 68MPa m 1 2的4 1倍 这说明晶粒细化对镁力学性能的提高 其潜力远远大于铝合金 是 开发镁合金最重要的因素之一 目前 细晶的高强度骨架的多孔镁并未得到拉伸或压缩数据的可靠 支持 现有实验所制备的多孔材料的骨架部分晶粒尺寸粗大 塑性变形行 为和机制尚不十分清楚 因此 具有高质量 细晶骨架的多孔材料制备是亟待解决的问题 总之 多孔镁合金制作的人造骨除具有质轻 无毒等优点外 还是 金属材料中与人体骨骼最接近的材料 可与肌体有机结合 镁合金 制造人体骨骼是其在医疗领域方面一个非常重要的应用 随着多孔镁合金强度等问题的解决 医用多孔镁合金将有潜在的应 用前景 参考文献 1 耿芳 谭丽丽 张炳春 等 多孔镁作为新型骨组织 工程材料的研究探索 J 材料导报 xx 21 5 76 78 2 王涛 戴品强 谢宇玲 等 生物医用Ti 16Nb 4Sn合金的超弹性和形状记忆效应 J 热加工工艺 xx 37 2 9 12 3 刘福 吴树建 王立强 新型医用钛合金的特点及发展现状 J 热加工工艺 xx 37 12 100 103 4 张宁 强颖怀 张春红 等 氮离子注入生物医用金属材 料的表面性能研究 J 热加工工艺 xx 36 4 52 54 下转第7页 孔隙部分骨架部分图1多孔镁合金材料示意图Fig 1 Sketch mapoftheporousmagnesiumalloy material3 热加工工艺 xx年第39卷第04期材料热处理技术Materi al Heat Treatment下半月出版 上接第3页 5 孙红霞 多孔镁的制备及镁合 金表面磷酸钙涂层的研究 D 兰州兰州理工大学 xx 6 宁聪琴 周玉 医用钛合金的发展及研究现状 J 材料科学与工艺 xx 10 100 106 7 Olurin OB Fleck NA Ashby MF Deformation andfrac ture of aluminum foams J Mater Sci Eng 2000 A 291 136 146 8 张建良 黄青松 黄冬华 镁基合金处理纯净材料的机理 和物化性能 J 包头钢铁学院学报 xx 21 4 318 323 9 冒国兵 徐建辉 陈乐平 等 用新型填料制备泡沫镁和 泡沫铝材料 J 特种铸造及有色合金 xx 6 8 10 10 徐建辉 冒国兵 陈乐平 等 真空渗流铸造法制备泡沫 镁合金材料的试验研究 J 江西冶金 xx 23 6 84 87 11 刘荣 刘红梅 赵昕玥 等 铸造镁合金泡沫复合材料的 组织及缓冲性能研究 J 铸造 xx 55 1 40 42 12 沈剑 凤仪 王松林 等 多孔生物镁的制备与力学性能 研究 J 金属功能材料 xx 13 3 9 13 13 沈剑 凤仪 王松林 等 多孔生物镁的制备及其表面改 性 J 中国机械工程 xx 18 10 1230 1234 14 王玲 镁铝泡沫复合材料的基体组织及冲击性能 J 航 空制造技术 xx 1 100 101 15 吕学旺 邱克强 于波 等 AZ91镁合金泡沫材料的制备 J 铸造 xx 56 3 242 244 16 万疆 李言祥 刘源 气压对定向凝固藕状多孔镁的气孔 分布影响 J 中国有色金属学报 xx 17 2 200 206 17 陈乐平 周全 庄建平 真空渗流法制备泡沫镁合金的工 艺研究 J 铸造 xx 57 4 334 336 18 陈乐平 周全 真空渗流法制备泡沫镁合金的工艺安全问 题 J 特种铸造及有色合金 xx 28 8 591 593 19 王芳 李宝成 王录才 海绵状泡沫镁合金制备技术的研 究 J 铸造 xx 57 9 899 901 20 罗洪杰 杨院生 林曦 等 镁基多孔材料的研究现状与 展望 J 材料导报 xx 22 1 102 106 21 葛鹏 生物相容的多孔钛和多孔镁的加工 J 稀有金属 快报 xx 9 18 19 22 Jianmin Shi Chuanxian Ding Yihua Wu Biomimetic apatitelayerson plasma sprayed titaniumcoatings aftersurface modifi cation J Surface andCoatings Technology xx 13797 103 9 Valiev RZ Korznikov AV Mulyukov Restructure andpropertiesof ultrafine grained materialsproduced bysevereplastic deformation J Materials ScienceEngineering 1993 A168 2 141 148 10 GanaPathi SK Rainey DA A HREMstudy ofthenanocrystalline materialproduced bysliding wearproeesses J Scripta Metallurgicalet Materialia 1990 24 9 1675 1678 11 Liu XD Lu K Ding BZ Observation ofthe crystallizationofamorphous Fe Cu Si B alloyby insitu transmissionelectronmicroscopy J Nanostructured Materials 1993 2 6 581 586 12 张立德 纳米材料 M 北京化学工业出版社 xx 51 126 13 Siegel RW Hahn H Yussouff M Current trendsin thephysicsof materials Z SingaporeWorld Science 1987 14 Wang ZB Tao NR Tong WP et al Diffusion ofchromiumin nanocrystallineiron producedby meansof surface mechanicalattrition treatment J Acta Materialia xx 514319 4329 15 Kolobov YuR Grabovetskaya GP Ivanov MB et al Grainboundary diffusioncharacteristics ofnanocrystalline nickel J Scripta Mater xx 44873 878 16 Bokstein B Ivanov V Peteline S et al Direct experimentalobservationof aeleratedZn diffusionalong triplejuionsin Al J Materials Scienceand Engineering xx A302 l 151 153 17 Marte C Kirchheim R Hydrogen diffusionin nanocrystallinenickelindicating astructural changewithin thegrain boundariesafterannealing J Scripta Mater 1997 371171 1175 18 陈达 纳米微晶材料的扩散机制 J 材料学报 1995 31 8 340 345 19 卑多慧 吕坚 顾剑锋 等 表面纳米化预处理对低碳钢 气体渗氮行为的影响 J 材料热处理学报 xx 23 l 19 24 20 Lin Yimin Lu Jian Wang Liping et al Surfacenanocrystallization bysurface mechanicalattrition treatmentandits effecton st