钛合金由于具有低导热率和低弹性模量,给其机加工带来一定困难。用锻造方法进行材料加工,虽性能优良,但是浪费大,成本高,且难以生产形状复杂的产品;铸造法可获得复杂形状的近净形产品,但是也存在成分偏析、缩孔等缺陷,材料性能较低。粉末冶金是一种少切削或无切削的加工方法,生产的产品性能均匀,可以有效降低钛合金的生产成本,并且在生产多孔材料、小型或形状复杂的零部件方面有其独到优势。因此,目前钛基生物医学材料的研发以粉末冶金方法为主,并且开发出一些新技术。
(1)放电等离子烧结工艺。这是近年来发展起来的一种快速烧结新技术,它融等离子活化、热压为一体,具有升温速度快、烧结时间短、冷却迅速、外加压力和烧结气氛可控、节能环保等特点。钛合金表面容易形成牢固的TiO2氧化膜,所以用传统的粉末冶金方法难以烧结,烧结温度一般要高达1300℃,而放电等离子烧结法可以在较低温度下将钛合金较快烧结致密。
(2)粉末注射成型技术。这是将粉末冶金和塑胶注射成形结合起来的一种新技术,能够批量生产形状复杂、性能均匀的零部件。例如,采用粉末注射技术成型的Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb等医学植入合金,其屈服强度分别高达880MPa和815MPa,最大延伸率为14.5%和8%,显示出优异性能。微注射成型是粉末注射成型技术的一个新发展,采用微注射成型技术可以制备形状复杂和精细的医学植入材料。据报道,采用微注射成型技术,使用粒度为11微米的预合金粉制造NiTi合金,在注射、脱脂、烧结后,不经后续加工,致密度就能达到97%,并且展现出较好的形状记忆效应。
(3)Ti合金-生物陶瓷复合材料的研发。生物陶瓷以羰基磷灰石为代表,由于其与人体骨骼成分和晶体结构相似,具有很好的生物活性和骨引导作用而被用作植入材料,但其强度低,脆性大,不能用在承载部位。钛及钛合金具有较好力学性能和耐腐蚀性能,但其毕竟是生物惰性材料,植入人体后与周围组织只是机械连接,易发生松动和脱落。因此,如果以钛为基体、表面为生物陶瓷组成复合材料,则能充分利用两种材料的优点。实验结果表明,Ti合金-羰基磷灰石复合材料比纯钛有更好的生物相容性和骨结合能力。有报道,羰基磷灰石质量分数为5%的钛基复合材料具有优异的耐腐蚀性、压缩强度、摩擦磨损性和生物相容性,低的弹性模量,显示出良好的应用前景。由于放电等离子烧结技术能降低烧结温度,加快烧结速度,故适合用来制备Ti合金-生物陶瓷复合材料。