一种低磁化率β型Zr-Nb-Ta系合金及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种低磁化率β型Zr‑Nb‑Ta系合金，该合金的重量百分比组成为：铌10％，钽10％～20％，余量为锆和不可避免的杂质且锆的重量百分比>50％，其中钽的重量百分比最好为15％。该合金与天然骨骼的弹性模量更匹配，且磁化率更低。本发明专利技术还提供了该β型Zr‑Nb‑Ta系合金的制备方法，将铌的含量设置在α→β相转变的临界点，在此基础上再加入钽作为合金化元素，可在室温下获得亚稳的β‑Zr，同时产生固溶强化作用，提高合金的强度而不影响合金的塑形和加工性能，而且可以增强合金的耐腐蚀性能。

A low magnetic susceptibility beta type Zr-Nb-Ta series alloy and its preparation method

The invention provides a low magnetic susceptibility beta Zr Nb Ta alloy. The weight percentage of the alloy consists of niobium 10%, tantalum 10% ~ 20%, the residual amount of zirconium and the inevitable impurity and the weight percentage of zirconium > 50%, of which the weight percentage of tantalum is best 15%. The alloy has better matching with the elastic modulus of natural bone and lower magnetic susceptibility. The invention also provides a preparation method of the Zr Nb Ta alloy. The content of niobium is set at the critical point of the phase transition of alpha to beta. On this basis, the tantalum is added as the alloying element, and the metastable beta Zr can be obtained at room temperature, and the solid solution strengthening effect is produced to improve the strength of the alloy without affecting the shape of the alloy and the shape of the alloy. Processing performance, and can enhance the corrosion resistance of the alloy.

【技术实现步骤摘要】
一种低磁化率β型Zr-Nb-Ta系合金及其制备方法
本专利技术涉及合金领域，尤其涉及一种低磁化率β型Zr-Nb-Ta系合金及其制备方法。
技术介绍
钛及其合金在生物医用植入材料上得到了广泛的应用，尤以β-钛合金的应用最为广泛。但是，β-钛合金弹性模量与天然的人体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。此外，金属材料在强磁场下会产生磁场扰动，磁场扰动的大小与植入金属材料的磁化率成正相关，当人体植入金属材料后，在使用核磁共振成像技术进行诊断时，由于磁场扰动导致核磁共振的成像失真，降低了诊断结果的准确性。
技术实现思路
为了克服β-钛合金弹性模量与天然人体骨骼弹性模量不够匹配及高磁化率人体植入材料影响核磁共振成像诊断准确性的问题，本专利技术提供了一种低磁化率β型Zr-Nb-Ta系合金，该合金的重量百分比组成为：铌10％，钽10％～20％，余量为锆和不可避免的杂质且锆的重量百分比>50％，其中钽的重量百分比最好为15％，该合金与β-钛合金相比与天然骨骼的弹性模量更匹配，且磁化率更低。本专利技术还提供了一种低磁化率β型Zr-Nb-Ta系合金的制备方法，以纯度超过99.0wt％的海绵锆、铌块和钽块为原材料使用水冷铜坩埚非自耗真空电弧熔炼炉进行熔炼而成，其中锆作为合金基体，铌和钽作为合金化元素，用于调节合金性能。将铌的含量设置在α→β相转变的临界点，在此基础上再加入钽作为合金化元素，可在室温下获得亚稳的β-Zr，同时产生固溶强化作用，提高合金的强度而不影响合金的塑形和加工性能，而且可以增强合金的耐腐蚀性能。本专利技术还提供了一种使用该β型Zr-Nb-Ta系合金制作人体植入物，使用这种合金制作的人工骨骼、骨骼固定夹与天然的人体骨骼的弹性模量更匹配，降低了应力屏蔽效应，克服了β-钛合金人工植入物导致的植体周围出现骨吸收引起植体松动或断裂，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等问题。使用该β型Zr-Nb-Ta系合金制作的人工骨骼、骨骼固定夹、脏器瓣膜、血管扩张器等由于β型Zr-Nb-Ta系合金具有更低的磁化率，提高了当人体植入金属材料制的植入物后，在使用核磁共振成像技术进行诊断时，由于金属材料的磁场扰动导致核磁共振的成像失真降低诊断结果准确性。本专利技术的技术方案如下：一种低磁化率β型Zr-Nb-Ta系合金，该合金的重量百分比组成为：铌10％，钽10％～20％，余量为锆和不可避免的杂质且锆的重量百分比>50％。优选的，钽的重量百分比为15％。一种人体植入物，制作该人体植入物的材料包括β型Zr-Nb-Ta系合金，β型Zr-Nb-Ta系合金重量百分比组成为：铌10％，钽10％～20％，余量为锆和不可避免的杂质且锆的重量百分比>50％。优选的，制作人体植入物的型Zr-Nb-Ta系合金中，钽的重量百分比15％。优选的，人体植入物为髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨、骨骼固定夹、肾瓣膜、心瓣膜或血管扩张器。一种低磁化率β型Zr-Nb-Ta系合金的制备方法，包括步骤：(1)原料称重：根据合金元素组分的种类选取纯度超过99.0wt％的海绵锆、铌块和钽块为原料，依据重量百分比进行称重配料，所依据的重量百分比为：铌10％，钽10％～20％，余量为锆和不可避免的杂质且锆的重量百分比>50％。(2)合金熔炼：采用水冷铜坩埚非自耗真空电弧熔炼炉进行熔炼，依据各金属的熔点，将熔点低的金属锆至于坩埚底部，然后将铌、钽放置在锆的上面。原料放入坩埚后进行抽真空处理，熔炼前将炉内真空抽成真空度为5×10-3Pa的状态后，通入氩气保护；熔炼时熔炼电流为200～230A，保持100s～120s；熔炼结束后，采用坩埚底部通循环冷却水的方式进行冷却，合金由液态到固态的冷却时间为180s～300s；为了保证成分均匀，合金反复熔炼5～6次，最终水冷冷却到室温取出，得到成分均匀的β型Zr-Nb-Ta系合金。优选的，原料中钽的重量百分比为15％。优选的，所用原料分别为海绵锆、铌块和钽块，原料的纯度均在99.0wt％以上。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术提供的β型Zr-Nb-Ta系合金与β-钛合金相比与天然骨骼的弹性模量更匹配，且磁化率更低，使用该β型Zr-Nb-Ta系合金制作的人工骨骼、骨骼固定夹与天然的人体骨骼的弹性模量更匹配，降低了应力屏蔽效应，克服了β-钛合金人工植入物导致的植体周围出现骨吸收引起植体松动或断裂，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等问题；使用该β型Zr-Nb-Ta系合金制作的人工骨骼、骨骼固定夹、脏器瓣膜、血管扩张器等由于β型Zr-Nb-Ta系合金具有更低的磁化率，克服了当人体植入金属材料后，在使用核磁共振成像技术进行诊断时，由于磁场扰动导致核磁共振的成像失真降低诊断结果准确性的问题；该β型Zr-Nb-Ta系合金的制备方法，以锆作为合金基体，铌和钽用于调节合金性能，将铌的含量设置在α→β相转变的临界点，在此基础上再加入钽作为合金化元素，可在室温下获得亚稳的β-Zr，同时产生固溶强化作用，提高合金的强度而不影响合金的塑形和加工性能，而且可以增强合金的耐腐蚀性能。附图说明图1为本专利技术实施例1中所得的β型Zr-Nb-Ta系合金的显微组织照片；图2为本专利技术实施例2中所得的β型Zr-Nb-Ta系合金的显微组织照片；图3为本本专利技术实施例3中所得的β型Zr-Nb-Ta系合金的显微组织照片；图4为本专利技术实施例1、2和3中分别测得的β型Zr-Nb-Ta系合金样品的X射线衍射图；图5为本专利技术实施例1、2和3中分别测得的β型Zr-Nb-Ta系合金样品的磁化率；具体实施方式：下面参照附图对本专利技术做进一步描述。实施例1如图1、图4和图5所示，原料配方：铌10％，钽10％，海绵锆80％(均为重量百分比)；铌、钽与海绵锆的纯度均在99％以上。根据配方称取原料，混合均匀后放入非自耗真空电弧熔炼炉中，在氩气的保护下进行熔炼，熔炼时熔炼电流为210A，保持110s，采用坩埚底部通循环冷却水的方式进行冷却。重复熔炼冷却6次，最后冷却到室温得到成分均匀的合金锭。将合金锭切割成不同规格样品以备检测。将上述制备方法制得的Zr-Nb-Ta系合金利用万能试验系统对规格为5mm×5mm×10mm的样品进行室温压缩性能测试，该样品的杨氏模量、屈服强度、压缩率分别为41.37GPa、无屈服、4.445％。图1是该合金的显微组织照片，图4为该样品的X射线衍射图谱，图5为该样品的磁化率数据。实施例2如图2、图4和图5所示，原料配方：铌10％，钽15％，海绵锆75％(均为重量百分比)；铌、钽与海绵锆的纯度均在99％以上。制备方法和检测方法同实施例1，熔炼时熔炼电流为200A，保持100s，该实施例所得样品的杨氏模量、屈服强度、压缩率分别为93.25GPa、714.7MPa、72.5％。图2是该合金的显微组织照片，图4为该样品的X射线衍射图谱，图5为该样品的磁化率数据。实施例3如图3、图4和图5所示，原料配方：铌10％，钽20％，海绵锆70％(均为重量百分比)；铌、钽与海绵锆的纯度均在99％以上。制备方法和检测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低磁化率β型Zr‑Nb‑Ta系合金，其特征在于该合金的重量百分比组成为：铌10％，钽10％～20％，余量为锆和不可避免的杂质且锆的重量百分比>50％。

【技术特征摘要】
1.一种低磁化率β型Zr-Nb-Ta系合金，其特征在于该合金的重量百分比组成为：铌10％，钽10％～20％，余量为锆和不可避免的杂质且锆的重量百分比>50％。2.根据权利要求1所述的一种低磁化率β型Zr-Nb-Ta系合金，其特征在于，所述钽的重量百分比为15％。3.一种人体植入物，其特征在于，制作该人体植入物的材料包括β型Zr-Nb-Ta系合金，所述β型Zr-Nb-Ta系合金重量百分比组成为：铌10％，钽10％～20％，余量为锆和不可避免的杂质且锆的重量百分比>50％。4.一种人体植入物，其特征在于，制作该人体植入物的材料包括β型Zr-Nb-Ta系合金，所述β型Zr-Nb-Ta系合金重量百分比组成为：铌10％，钽15％，余量为锆和不可避免的杂质且锆的重量百分比>50％。5.根据权利要求3或4所述的一种人体植入物，其特征在于，所述人体植入物为髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨、骨骼固定夹、肾瓣膜、心瓣膜或血管扩张器。6.一种低磁化率β型Zr-Nb-Ta系合金的制备方法，其特征在于，包括步骤：S1：称取原料，所述原料的重量百分比为：铌10％，钽10％～20％，余量为锆和不可避免的杂质且锆的重量百分比>50％；S2：选用水冷铜坩埚非自耗真空电弧熔...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆坤，霍宇飞，隋艳伟，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32