專利名稱：：一種低彈性模量的生物醫(yī)用鈦合金的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種具有低彈性模量的生物醫(yī)用鈦合金。
背景技術：
：目前，可用于醫(yī)學領域的金屬材料主要是不銹鋼、鈷鉻合金和鈦及鈦合金，這三類材料作為生物材料的特性對參見表1。從表中可以看出，除了耐磨性和加工性能低于其他兩類材料外，其余的性能都是鈦及鈦合金最好。醫(yī)學實踐證明，凡是使用不銹鋼和鈷鉻合金制成的各種類型的外科植入物，均可用鈦及鈦合金來制作。長期的醫(yī)學實踐表明人工關節(jié)假體的彈性模量如果遠高于骨組織的彈性模量1030GPa，人工關節(jié)假體會承受大部分生物應力，使得應力難以傳遞給周圍的骨組織。骨組織長期不承受應力剌激，其結(jié)果是在植入物周圍誘發(fā)出多孔骨癥(Esteoporosist)等許多問題，最終引起植入人工關節(jié)假體的松動和失效，需要重新進行手術植入。這就是高剛度外科植入物引起的"應力屏蔽現(xiàn)象"(Stressshieldingphenomenon)。因此，生物相容性優(yōu)良、高強度、低彈性模量成為新型醫(yī)用鈦合金的研制目標。表1三類金屬生物材料的特性對比<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>A-非常好B-好C-一般D-差1950年英國就使用純鈦制作了人工股骨頭假體，隨后純鈦制成的各種器件開始在外科手術中廣泛應用，2001年美國成功進行了純鈦制作的人工心臟的植入手術。但作為人工關節(jié)假體，純鈦的強度較低，從20世紀60年代起，Ti-6A1-4V和Ti_6Al_4VELI合金開始替代純鈦制作部分對強度要求較高的人工關節(jié)假體。迄今為止，這兩個牌號的鈦合金仍是醫(yī)用領域應用量最大的鈦合金。醫(yī)學界長期以來對V元素在身體內(nèi)潛在毒性一直存在疑慮，這樣就促進了無V鈦合金的研究和開發(fā)。20世紀80年代，瑞士和德國相繼開發(fā)了不含V元素的Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe合金。這兩種鈦合金綜合力學性能與Ti_6Al_4V相當。目前，Ti_6Al_7Nb合金已被列入了鈦合金植入物的國際標準，美國和日本已開始批量生產(chǎn)該合金的棒材。在歐美，Ti-6Al-7Nb合金已部分取代Ti-6A1-4V和Ti-6A1-4VELI合金制作人工關節(jié)假體。有關A1元素對人體具有神經(jīng)毒性的醫(yī)學報道一直不斷，加之已應用含Al鈦合金的彈性模量高，基本上都是115GPa，據(jù)此推動了美、日兩國20世紀90年代不含A1元素和V元素、低彈性模量醫(yī)用13鈦合金的研制和開發(fā)。美國開發(fā)的合金主要有Ti-13Nb-13Zr、Ti-12Mo-6Zr-2Fe(TMZF)、Ti-15Mo、Ti-16Nb-10Hf、Ti-15Mo-2.8Nb-0.2Si-0.260(Timetal21SRX)、Ti-15Mo-3Nb、Ti-35Nb-5Ta-7Zr(TNTZ)等。日本開發(fā)的合金主要有Ti-29Nb-13Ta-X合金系列(X分別為4.6Zr，4Mo，2Sn，4.6Sn，6Sn)、Ti-15Mo-5Zr-3Al、Ti-15Zr-4Nb-2Ta-0.2Pd、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和GumMetal-(Ti-36Nb-2Ta-3Zr-0)。這些新開發(fā)的合金的彈性模量大概在5085GPa，固溶態(tài)的強度大于800MPa。這些新開發(fā)合金，除了美國的Ti-13Nb-13Zr(ASTMF1713)和Ti-12Mo-6Zr-2Fe(ASTMF1813)，日本的Ti-15Zr-4Nb-2Ta-0.2Pd(JIST7401-4)和Ti-15Mo-5Zr-3Al(JIST7401-6)列入標準外，其余的合金在醫(yī)學臨床上幾乎未獲得實際的應用。我國中科院金屬研究所楊銳研究組研制了Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金，據(jù)報道該合金板材預變形加室溫時效處理后的彈性模量只有33GPa。將這種處理狀態(tài)普遍應用于該合金的棒材會出現(xiàn)如何使棒材產(chǎn)生整體均勻預變形的困難，因此該合金棒材作為33GPa的實際應用是不可能的。由上述的醫(yī)用鈦及鈦合金研究和開發(fā)歷史可以看出，采用Nb，Ta，Zr，Hf、Sn等無毒元素合金化的低彈性模量鈦合金是未來醫(yī)用鈦及鈦合金研究和開發(fā)的趨勢。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對
背景技術：
中的問題，提供一種不含有毒合金元素且合金固溶狀態(tài)的壓縮彈性模量接近于人體骨頭彈性模量的低彈性模量生物醫(yī)用鈦合金。本發(fā)明的上述目的是通過以下技術方案達到的—種低彈性模量的生物醫(yī)用鈦合金，包括13穩(wěn)定元素和中性元素，所述|3穩(wěn)定元素為Nb，或Nb和Ta;中性元素為Zr，或Zr和Hf，或Zr和Sn;并且所述生物醫(yī)用鈦合金的Bo為2.8822.887，Md為2.4602.463;所述生物醫(yī)用鈦合金中，Nb的原子百分比為25%27%，Ta的原子百分比為0%0.5%，Zr的原子百分比為3%5%，Hf或Sn的原子百分比為0%2%，余量為鈦。所述低彈性模量的生物醫(yī)用鈦合金中，0的原子百分比不大于0.5%，其余成分按常規(guī)鈦合金控制。所述低彈性模量的生物醫(yī)用鈦合金不含有對人體有毒的元素。日本學者森永正彥利用Dv(DiscreteVariational)-Xa分子軌道理論將高溫合金設計中的鍵級Bo和d電子能級Md兩個參數(shù)引入到鈦合金的理論設計中(M.Morinaga，N.Yukawa,T.Maya，K.SoneandH.Adachi.Theoreticaldesignoftitaniumalloys.TitaniumScienceandTechnology,Proceedingsof6thWorldConferenceonTitanium,P.Lacombe，R.TriotandG..Beranger，eds.，June6_9，1988，Ca皿es，F(xiàn)rance,1601-1606)。本發(fā)明利用森永正彥提出的鈦合金成分設計的Bo-Md方法進行本發(fā)明合金的半經(jīng)驗_半理論設計，含有Nb，Ta，Zr，Hf、Sn合金化元素的P鈦合金的Bo、Md計算公式分別為Bo=2.790Ti%+3.099Nb%+3.086Zr%+3.144Ta%+3.llOHf%+2.283Sn%Md=2.447Ti%+2.424Nb%+2.934Zr%+2.531Ta%+2.975Hf%+2.100Sn%上式中合金元素含量均以原子百分比表示。本發(fā)明先按上式計算不同合金成分Bo、Md的數(shù)值，將設計的合金熔煉成紐扣錠，將紐扣錠加工成小棒固溶處理后測試合金的彈性模量。本發(fā)明的合金可用市售的純金屬和中間合金利用真空自耗熔煉、凝殼爐熔煉、等離子束熔煉、電子束熔煉、懸浮爐熔煉等多種熔煉方法熔煉，也可采用這些方法的組合。上述的熔煉方法均為常規(guī)的熔煉方法。本發(fā)明合金的鑄錠(紐扣錠)在相變點以上開還，進行降溫中間鍛造或軋制，制成棒材，棒材在90(TC退火30分鐘后按照GB228-2002進行拉伸性能測試，按照ASTME9_89a進行壓縮彈性模量測試。本發(fā)明的優(yōu)點是合金固溶狀態(tài)的室溫抗拉強度不低于600MPa，壓縮彈性模量不高于45GPa。下面通過具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明，但并不意味著對本發(fā)明保護范圍的限制。具體實施方式實施例1將市售的鈦板、鋯板、鈦鈮中間合金板表1的成分配比(原子百分比，下同)制備成自耗電極塊，電極塊在真空等離子箱內(nèi)焊接成真空自耗電極，然后進行兩次真空自耗熔煉制成鑄錠(紐扣錠)。鑄錠在相變點上開坯鍛造，經(jīng)過中間鍛造后制成①35mm的軋制棒坯，棒坯加熱到90(TC后，在橫列式軋機上軋制成①15mm棒材。軋制成的棒材在90(TC退火30分鐘后按照GB228-2002進行拉伸性能測試，按照ASTME9-89a進行壓縮彈性模量測試，其性能見表2，表中數(shù)據(jù)為三個試樣測試結(jié)果的平均值。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2中Rm表示抗拉強度，Rp。.2表示屈服強度，A表示延伸率，Z表示面縮率，E表示壓縮彈性模量。本實施例合金固溶狀態(tài)的室溫抗拉強度為675Mpa，高于600Mpa;壓縮彈性模量為38.9Gpa，低于45GPa。實施例2將市售的鈦板、鋯板、鉭板、鈦鈮中間合金板表3的成分配比制備成自耗電極塊，電極塊在真空等離子箱內(nèi)焊接成真空自耗電極，然后進行兩次真空自耗熔煉制成鑄錠(紐扣錠)。鑄錠在相變點上開坯鍛造，經(jīng)過中間鍛造后制成①35mm的軋制棒坯，棒坯加熱到90(TC后，在橫列式軋機上軋制成①15mm棒材。軋制成的棒材在90(TC退火30分鐘后按照GB228-2002進行拉伸性能測試，按照ASTME9-89a進行壓縮彈性模量測試，其性能見表4，表中數(shù)據(jù)為三個試樣測試結(jié)果的平均值。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表4<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>本實施例合金固溶狀態(tài)的室溫抗拉強度為730Mpa，高于600Mpa;壓縮彈性模量為39Gpa，低于45GPa。權利要求一種低彈性模量的生物醫(yī)用鈦合金，包括β穩(wěn)定元素和中性元素，所述β穩(wěn)定元素為Nb，或Nb和Ta；中性元素為Zr，或Zr和Hf，或Zr和Sn；并且所述生物醫(yī)用鈦合金的Bo為2.882～2.887，Md為2.460～2.463；所述生物醫(yī)用鈦合金中，Nb的原子百分比為25％～27％，Ta的原子百分比為0％～0.5％，Zr的原子百分比為3％～5％，Hf或Sn的原子百分比為0％～2％，余量為鈦。2.根據(jù)權利要求1所述的低彈性模量的生物醫(yī)用鈦合金，其特征在于所述低彈性模量的生物醫(yī)用鈦合金中還含有0元素，且0的原子百分比不大于0.5%。全文摘要本發(fā)明涉及一種低彈性模量的生物醫(yī)用鈦合金，包括β穩(wěn)定元素和中性元素，所述β穩(wěn)定元素為Nb，或Nb和Ta；中性元素為Zr，或Zr和Hf，或Zr和Sn；并且所述生物醫(yī)用鈦合金的Bo為2.882～2.887，Md為2.460～2.463；所述生物醫(yī)用鈦合金中，Nb的原子百分比為25％～27％，Ta的原子百分比為0％～0.5％，Zr的原子百分比為3％～5％，Hf或Sn的原子百分比為0％～2％，余量為鈦。本發(fā)明合金固溶狀態(tài)的室溫抗拉強度不低于600MPa，壓縮彈性模量不高于45GPa。文檔編號C22C14/00GK101760668SQ20081024099公開日2010年6月30日申請日期2008年12月24日優(yōu)先權日2008年12月24日發(fā)明者葉文君,惠松驍,李東根,李龍?zhí)?米緒軍申請人:北京有色金屬研究總院;韓國機械研究院