一种β型Zr‑Nb‑Si系生物医用合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种β型Zr‑Nb‑Si系生物医用合金及其制备方法。所用原料组分及重量百分比为：铌18.46%～18.79%，硅0.47～1.10%，余量为海绵锆。其制备方法是先按照各组分的重量百分比称取相应的原料，将原料充分混合，然后利用非自耗真空电弧炉进行熔炼，冷却得到组织均匀的合金铸锭。本发明专利技术的生物医用合金具有传统医用合金的优点，同时解决了传统医用合金在杨氏模量与人体自然骨骼不匹配的问题，有望解决替代材料因力学性能不匹配而对人体造成的损伤的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属基复合材料
，具体涉及锆基生物医用合金及其制备方法。
技术介绍
生物医用材料包括医疗上能够植入生物体或能够与生物体组织相结合的材料，生物材料用来治疗或替换生物机体中原有的组织和器官，修正和提高其功能。目前生物医用金属材料是广泛应用外科植入材料，具有高强度、良好的韧性、抗弯曲疲劳强度以及良好的加工成型性能，具有其它类型医用材料难以替代的优良性能。金属材料作为生物医用材料必须满足严格的生物学要求：（1）组织相容性好、无毒性，不致畸变，不引起过敏反应和干扰基体的免疫，不破坏临近组织等；（2）物理化学性质稳定，强度、弹性、尺寸、耐腐蚀、耐磨性等性质稳定；（3）易于加工成型，容易制成各种需要的形状。目前金属材料钛及其合金在生物医用植入材料上得到了广泛的应用，尤其是β-钛合金的应用更广泛。但是，随着医学技术的发展，钛合金在生物医学的应用上存在的不足逐渐凸显出来，其中之一就是弹性模量与天然骨骼的弹性模量不够匹配，容易引起应力屏蔽效应，导致植体周围出现骨吸收，引起植体松动或断裂等现象，不利于骨骼愈合和植入体的长期稳定，对人体容易造成损伤。所以，开发与人体机能更为匹配的新型生物医用合金材料成为当今生物医用材料的一个最主要研究方向。锆合金具有优良的耐腐蚀性能、机械性能、组织相容性好、无毒性，主要作为反应堆芯结构材料，如燃料包壳；常用作耐腐蚀的容器和管道，如压力管、支架和孔道管等。但是锆合金在生物医用材料方面的研究还相当稀少，多数研究都是以锆作为添加的合金元素来提升钛合金的性能。而本专利技术将锆合金在生物医用上的应用作为主要的研究方向，研究出的锆基合金与传统的钛合金相比，锆及其合金具有比钛更良好的耐腐蚀性、强度，以及更低的弹性模量，很好的弥补了传统钛合金的不足。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种β型Zr-Nb-Si系生物医用合金及其制备方法，其能替代或部分替代钛合金在生物医用上的应用，其具有良好的生物相容性，且对人体无毒害，同时具有和人体骨骼相匹配的弹性模量，因此能有效减小因力学不匹配而对人体造成的损伤。本专利技术技术方案如下：一种β型Zr-Nb-Si系生物医用合金，所用原料组分及重量百分比为：铌18.46%～18.79%，硅0.47～1.10%，，余量为海绵锆。作为技术方案的优选，原料组分及重量百分比为：铌18.6%，硅0.78～1.10%，余量为海绵锆，该配方得到的生物医用合金，各项性质稳定，性能良好。本专利技术采用的海绵锆、铌以及硅的纯度都在99.0%以上，均可从市场上购买得到。本专利技术制备的β型Zr-Nb-Si系生物医用合金的杨氏模量为25~27GPa，最大抗压强度达到880~1050MPa，压缩率为28.0~31.0%，屈服强度为670~750MPa。本专利技术的β型Zr-Nb-Si系生物医用合金的制备方法，它的制备步骤如下：（1）原料称取，根据各原料组分的重量百分比分别称取海绵锆、铌以及硅；原料粒径尺寸控制在2厘米以下；（2）原料混合，将称好的原料搅拌混合均匀；（3）原料熔炼，将混合均匀的原料放入非自耗真空电弧炉内的坩埚中，然后抽真空，真空度控制为1×10-2～1×10-3Pa；再通入惰性气体进行洗气除去残留的空气；最后在惰性气体的保护下进行熔炼，熔炼温度为2900～3200℃；熔炼电压为220V，熔炼电流控制在200~220A，保持130s~190s，然后再将电流缓慢调节至0A，电流下降至0A的时间为40~60s，如此反复熔炼5遍以上，得到粗合金铸锭；步骤（3）的抽真空和洗气反复进行2～4次。（4）粗合金铸锭的冷却，在惰性气体保护下，对坩埚底部通水，利用流动的水对粗合金铸锭进行快速冷却，粗合金由液态到固态的冷却时间为10~30秒，然后继续保持对坩埚底部通水，将合金铸锭继续停放在炉内冷却，冷却至室温后取出，得到组织均匀的β型Zr-Nb-Si系生物医用合金，整个冷却时间400-600秒。本专利技术采用的惰性气体为氩气，压强为一个标准大气压。本专利技术的锆作为合金基体，铌和硅作为合金化元素，用于调节合金性能。铌是常用的β相稳定化元素，铌与锆在高温具有相同的同素异形体，晶体结构都是体心立方，原子半径与β-Zr相近，铌与β-Zr能形成连续固溶体，加入适量的铌，能显著降低β→α相转变温度，可在室温得到亚稳的β-Zr，同时产生固溶强化作用。铌加入锆合金可提高合金的强度而不影响合金的塑性和加工性能，而且可以增强合金的耐腐蚀性能。本专利技术的合金体系将铌的含量设置在接近共析反应成分点，有利于在室温得到完全的亚稳β-Zr。硅能与锆反应原位生成Zr2Si增强锆基复合材料，很好解决传统制备工艺增强体与基体之间存在的界面缺陷问题，同时提高锆基体的力学性能。本专利技术将Nb的含量控制在共析反应成分点附近，目的是为了获得共析组织，这种组织具有很好的韧性，使得合金在切削加工过程中不至于较快崩裂。硅能与锆原位生成Zr2Si增强体，可有效提高锆合金的力学性能。但是当Zr2Si颗粒在合金中易于偏聚，这对合金样品的综合力学性能，尤其是塑性极为不行，所以必须严格控制Si的含量。根据实验结果得出当Si的量控制在0.47～1.10%时，可有效规避Si对合金塑性破坏性的影响。所以本申请最大优点是在提高屈服强度的同时，材料的塑性得到的有效提高。本专利技术的锆基生物医用合金材料具有传统钛合金等常规生物医用合金的优点，同时其杨氏模量能与人体骨骼更为匹配，耐腐蚀性强，可以有效缓解生理环境对合金材料的腐蚀，防止金属离子向周围组织扩散，材料可以应用到生物医用植入材料，如假肢、人工骨等方面。本专利技术的优点：1.本专利技术的合金材料具有良好的生物相容性，其杨氏模量（25-27GPa）与人体骨骼（10-40GPa）更为匹配，能有效避免因力学不匹配而对人体造成的伤害。如果合金材料的杨氏模量超过人体骨骼的杨氏模量时，由于其刚性过大，作为生物材料时，容易对人体骨骼与肌肉造成损伤，不利于骨骼愈合和植入体的长期稳定。目前很多生物医用合金的杨氏模量偏高，在实际应用过程中，对人体机能造成一定损伤，产生疼痛等并发症，阻碍其发展。因此要控制医用合金材料的杨氏模量与人体骨骼相互匹配才能确保材料能够长期与人体接触，不对人体产生损伤，同时又能保证人体机能的正常作用。2.铌加入到锆合金可提高合金的强度而不影响合金的塑性和加工性能，起到增强合金的耐腐蚀性的作用。在较高温度下，硅与锆能发生原位反应生成Zr2Si颗粒，起到第二相强化的作用。而且Zr2Si增强体是在锆金属基体内形核、自发生长，因此，锆基体和Zr2Si增强体的相溶性良好，界面结合强度较高。两种合金元素共同作用可以起到调节锆合金的抗压强度、弹性模量、塑性、屈服强度等性质的作用，从而更好的适应生物医用材料的要求。合金材料提高抗压强度可使该材料承受更大的外力作用，同时材料不会受到损坏，有利于在人体内长期稳定的保持生物硬组织替代材料的作用。3.本专利技术的锆基合金中的合金化元素铌、硅对人体无毒副作用，锆合金也对人体无毒副作用，铌、硅生产成本较低，避免以往医用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种β型Zr‑Nb‑Si系生物医用合金，其特征在于：所用原料组分及重量百分比为：铌18.46%～18.79%，硅0.47～1.10%，余量为海绵锆。

【技术特征摘要】
1.一种β型Zr-Nb-Si系生物医用合金，其特征在于：所用原料组分及重量百分比为：铌18.46%～18.79%，硅0.47～1.10%，余量为海绵锆。
2.根据权利要求1所述的β型Zr-Nb-Si系生物医用合金，其特征在于：所用原料组分及重量百分比为：铌18.6%，硅0.78～1.10%，余量为海绵锆。
3.根据权利要求1或2所述的β型Zr-Nb-Si系生物医用合金，其特征在于：海绵锆、铌以及硅的纯度都在99.0%以上。
4.根据权利要求3所述的β型Zr-Nb-Si系生物医用合金，其特征在于：β型Zr-Nb-Si系生物医用合金的杨氏模量为25~27GPa，最大抗压强度达到880~1050MPa，压缩率为28.0~31.0%，屈服强度为670~750MPa。
5.一种如权利要求1~4所述β型Zr-Nb-Si系生物医用合金的制备方法，其特征在于：它的制备步骤如下：
（1）原料称取，根据各原料组分的重量百分比分别称取海绵锆、铌以及硅；原料粒径尺寸控制在2厘米以下；
（2）原料混合，将称好的原料搅拌混合均匀；
（3）原料熔炼，将混合均匀的原料放...

【专利技术属性】
技术研发人员：湛永钟，柳帅，吴俊彦，郭付达，叶海梅，张晓娴，张建峰，黄金芳，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西;45