本發(fā)明屬于金屬生物材料，具體涉及一種低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、金屬生物材料作為結(jié)構(gòu)生物材料具有最悠久的歷史，主要用于植入人體修復(fù)骨骼、關(guān)節(jié)牙齒以及血管等。最開(kāi)始使用的醫(yī)用不銹鋼和co-cr合金的彈性模量遠(yuǎn)高于人骨，容易引起“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)而導(dǎo)致植入物失效，無(wú)法滿足長(zhǎng)期使用的要求。鈦及鈦合金因具有高比強(qiáng)度、低彈性模量、優(yōu)異的生物相容性和耐腐蝕性等綜合特性，成為當(dāng)前生物醫(yī)用金屬材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重要候選材料。

2、對(duì)于鈦合金而言，關(guān)鍵特性在于選擇具有類似于人骨的低模量，以避免剛度不匹配和應(yīng)力遮擋問(wèn)題。因此，對(duì)于鈦合金的特性研究，從彈性模量入手加速開(kāi)發(fā)新型優(yōu)異鈦合金。亞穩(wěn)態(tài)β-ti或近β-ti合金在設(shè)計(jì)時(shí)具有較低的彈性模量，采用無(wú)毒元素的靈活組合。因此，長(zhǎng)期以來(lái)，它們一直被認(rèn)為是生物材料的良好選擇。由于β-ti合金的彈性模量與β相穩(wěn)定性之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此對(duì)于近β-ti合金進(jìn)行進(jìn)一步成分和工藝的耦合設(shè)計(jì)以降低模量對(duì)于醫(yī)用鈦合金的發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金及其制備方法，本發(fā)明通過(guò)元素?fù)诫s和冷軋退火工藝降低合金的彈性模量，解決了現(xiàn)有技術(shù)中鈦合金存在的模量較高且強(qiáng)度不高這一問(wèn)題。

2、本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3、一種低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金，其化學(xué)通式為ti80-x-ynb20zrxsnytaz，其中，2≤x＜6，1≤y＜3，2≤z＜5。

4、優(yōu)選的，所述低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的彈性模量為28.9-52.5gpa。

5、本發(fā)明還提供了如上所述低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的制備方法，包括如下過(guò)程：

6、利用非自耗真空電弧熔煉法，在保護(hù)氣氛下，將所述的低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的原料熔化，并在磁攪拌下使熔化的金屬液混合均勻，再經(jīng)若干次翻面和熔煉后獲得多晶鑄錠；

7、將所述多晶鑄錠進(jìn)行固溶處理，保溫結(jié)束后進(jìn)行水冷淬火；

8、對(duì)經(jīng)水冷淬火后的多晶鑄錠進(jìn)行冷軋，得到預(yù)設(shè)厚度的冷軋板材。

9、優(yōu)選的，低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的原料采用純度在99.9％以上的純ti金屬顆粒、nb金屬顆粒、zr金屬顆粒、sn金屬顆粒和ta金屬顆粒。

10、優(yōu)選的，利用非自耗真空電弧熔煉法，在保護(hù)氣氛下，將所述的低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的原料熔化時(shí)：

11、真空度為5×10-3pa以上，保護(hù)氣氛為氬氣，充入氬氣保護(hù)氣至0.05mpa，熔煉電流為350-500a。

12、優(yōu)選的，翻面次數(shù)不少于5次。

13、優(yōu)選的，將所述多晶鑄錠進(jìn)行固溶處理時(shí)：固溶處理溫度為995-1005℃，處理時(shí)間為55-65min。

14、優(yōu)選的，對(duì)經(jīng)水冷淬火后的多晶鑄錠進(jìn)行冷軋時(shí)：

15、控制每道次下壓量為0.03-0.05mm，總冷軋變形量為40％-80％，冷軋板材最終厚度為0.6-1.8mm。

16、優(yōu)選的，本發(fā)明上述方法還包括如下過(guò)程：

17、對(duì)冷軋板材進(jìn)行真空去應(yīng)力退火，之后水冷淬火。

18、優(yōu)選的，真空去應(yīng)力退火的溫度為400-500℃，退火時(shí)間0.5-1h。

19、本發(fā)明具有如下有益效果：

20、本發(fā)明低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金在室溫拉伸可以發(fā)現(xiàn)其具有28.9gpa的極低模量，712mpa的抗拉強(qiáng)度、687mpa的屈服強(qiáng)度以及13％的延伸率。根據(jù)x射線衍射(xrd)圖譜，可以看出樣品表現(xiàn)出明顯的α″或ω衍射峰，這些結(jié)果證明了穩(wěn)定性較低的bcc-β相伴有淬滅的ω或α″馬氏體，因此制備的ti合金的具有極低模量。本發(fā)明通過(guò)在鈦合金摻雜了生物相容性較好的4種元素從而對(duì)鈦合金的晶粒尺寸進(jìn)行調(diào)控。

21、本發(fā)明制備方法中，通過(guò)冷軋和退火這些簡(jiǎn)單工藝方法制備了板狀形態(tài)的近-β鈦合金。對(duì)合金樣品進(jìn)行冷軋退火后，晶粒細(xì)化和位錯(cuò)密度增加導(dǎo)致鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度不同程度增加。孿晶形成、晶粒細(xì)化和織構(gòu)演變的共同作用導(dǎo)致合金的彈性模量降低。

22、進(jìn)一步的，本發(fā)明在去應(yīng)力退火的過(guò)程中，該體系合金的模量隨著ω相及α相的析出被抑制而導(dǎo)致模量的降低。本發(fā)明所采用的工藝方法制備得到的ti-nb-zr-sn-ta鈦合金板材可滿足未來(lái)生物醫(yī)學(xué)的需求。

技術(shù)特征：

1.一種低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金，其特征在于，其化學(xué)通式為ti80-x-ynb20zrxsnytaz，其中，2≤x＜6，1≤y＜3，2≤z＜5。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金，其特征在于，所述低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的彈性模量為28.9-52.5gpa。

3.權(quán)利要求1或2所述的低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的制備方法，其特征在于，包括如下過(guò)程：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的制備方法，其特征在于，低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的原料采用純度在99.9％以上的純ti金屬顆粒、nb金屬顆粒、zr金屬顆粒、sn金屬顆粒和ta金屬顆粒。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的制備方法，其特征在于，利用非自耗真空電弧熔煉法，在保護(hù)氣氛下，將所述的低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的原料熔化時(shí)：

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的制備方法，其特征在于，翻面次數(shù)不少于5次。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的制備方法，其特征在于，將所述多晶鑄錠進(jìn)行固溶處理時(shí)：固溶處理溫度為995-1005℃，處理時(shí)間為55-65min。

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的制備方法，其特征在于，對(duì)經(jīng)水冷淬火后的多晶鑄錠進(jìn)行冷軋時(shí)：

9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的制備方法，其特征在于，還包括如下過(guò)程：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的低模量高強(qiáng)度的近β-鈦合金的制備方法，其特征在于，真空去應(yīng)力退火的溫度為400-500℃，退火時(shí)間0.5-1h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于金屬生物材料技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種低模量高強(qiáng)度的近β?鈦合金及其制備方法，該合金化學(xué)通式為Ti<subgt;80?x?y</subgt;Nb<subgt;20</subgt;Zr<subgt;x</subgt;Sn<subgt;y</subgt;Ta<subgt;z</subgt;，其中，2≤x＜6，1≤y＜3，2≤z＜5。制備方法包括如下過(guò)程：利用非自耗真空電弧熔煉法，在保護(hù)氣氛下，將所述的低模量高強(qiáng)度的近β?鈦合金的原料熔化，并在磁攪拌下使熔化的金屬液混合均勻，再經(jīng)若干次翻面和熔煉后獲得多晶鑄錠；將所述多晶鑄錠進(jìn)行固溶處理，保溫結(jié)束后進(jìn)行水冷淬火；對(duì)經(jīng)水冷淬火后的多晶鑄錠進(jìn)行冷軋，得到預(yù)設(shè)厚度的冷軋板材。本發(fā)明通過(guò)元素?fù)诫s和冷軋退火工藝降低合金的彈性模量，具體的該合金在室溫拉伸可以發(fā)現(xiàn)其具有28.9GPa的極低模量，可以看出本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中鈦合金存在的模量較高且強(qiáng)度不高這一問(wèn)題。

技術(shù)研發(fā)人員：薛德禎,萬(wàn)鑫泉,周玉美,丁向東,孫軍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17