以冷加工提升具有α″相钛合金的机械强度的方法技术

根据本发明专利技术的一种以具有α”相作为主相的钛合金对象的制造方法包括提供钛合金工件，该工件基本上由7至9重量％的钼和剩余部分的钛组成并且以α”相作为主相；及于室温下冷加工该工件的至少一部分以获得该对象的生坯，其中该生坯的冷加工部分具有该工件的至少一部分的厚度的20％至80％的厚度，而且该冷加工部分以α”相作为主相。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】以冷加工提升具有α″相钛合金的机械强度的方法相关申请案之相互参照本专利申请案请求2011年12月6日申请的美国临时专利申请案第61/567,189号的优先权益，在此以引用的方式将其揭示内容的全文并入本文。
本专利技术是关于以冷加工提升机械性质的以α”相作为主相的钛-钼合金，而且特别是关于以冷加工提升机械性质的以α”相作为主相的钛-钼合金的医疗植入物。
技术介绍
钛和钛合金由于其轻质、优良机械性能和耐腐蚀性已经普遍地用于许多医疗用途。工业级纯度钛(化学级纯度Ti)的用途的实例包括牙科植入物、牙冠和牙桥、义齿支架(dentureframework)、起搏器放置盒(pacemakercase)、心脏瓣膜罩(heartvalvecage)及重建装置等等。尽管如此，由于其较低的强度(化学级纯度的Ti)而不可用于高承重应用。关于承重应用最广泛使用的钛合金是Ti-6Al-4V合金(主力(work-horse)钛合金)。由于比化学级纯度Ti的强度更高许多，所以Ti-6Al-4V合金已经广泛用于多变的应力承载整形外科应用，例如人工髋关节和人工膝关节。再者，较低的弹性模数使得该钛合金比整形外科植入物中的不锈钢和钴-铬合金替代方案能更紧密近似用于整形外科装置的骨头韧性。由此，由该钛合金形成的装置产生较少骨应力遮蔽而且因此较不会干扰骨存活。关于作为植入物材料的Ti-6Al-4V合金之一主要潜在问题是其较不具生物兼容性的Al和V元素。研究指出从Ti-6Al-4V植入物释出Al及/或V离子可能造成长期的健康问题(Rao等人1996、Yumoto等人1992、Walker等人1989、McLachlan等人1983)。其不足的耐磨耗性可能进一步加速这些有害离子的释出(Wang1996，McKellopandRoKstlund1990，Rieu1992)。化学级纯度的Ti和Ti-6Al-4V合金的另一问题是其相当高的弹性模数。尽管其弹性模数(约110GPa)比通用的316L不锈钢及Co-Cr-Mo合金(200至210GPa)更低许多，但是化学级纯度的Ti和Ti-6Al-4V合金的模数还是比天然骨的模数高许多(举例来说，典型皮质骨仅大约20GPa)。天然骨与植入物之间的巨大模数差异是众所公认的“应力遮蔽效应”的主因。根据沃尔夫定律(Wolff'slaw)(骨头对于应变的反应)及骨重塑原理，义肢修复体/植入物构成物把适当应力转移给周围骨头的能力能协助保持该骨头的完整性。关于金属植入物的弹性模数比骨头高的概念衍然成行，而且现在还是如此。应力遮蔽现象，更常观察到无胶接剂髋关节、人工膝盖及脊椎植入物，有可能会导致骨蚀而且最后引起关节置换术失败(SumnerandGalante1992，EnghandBobyn1988)。应力计分析(Lewis等人1984)和有限元素分析(Koeneman等人1991)二者均证实较低模数的股骨髋部植入物组件造成较接近完整股骨的应力和应变，而且在将应力分配给邻近骨组织时较低模数的人工髋部较易于模拟自然股骨(Cheal1992，PrendergastandTaylor1990)。犬科和绵羊植入研究揭露凭借着低模数髋部植入物使动物的骨蚀显著降低(Bobyn等人1992)。Bobyn等人(1990，1992)也显示人工髋部患者通常都得经历的骨流失可由使用具有较低模数的义肢减少。一般能接受降低植入物的杨氏模数值可改善邻近骨组织的应力再分布，降低应力遮蔽作用而且最终延长装置寿命。由于高强度和降低的应力遮蔽风险于是更喜欢具有较高强度/模数比的金属植入物材料。已知降低植入物的模氏模数值会降低应力遮蔽作用并且延长装置寿命，而且由于高强度和降低应力遮蔽风险的联合效应而喜欢具有较高强度/模数比的金属植入物材料。尽管如此，从合金设计的观点来看，同时提升该合金强度并且提升该合金模数一直都是大挑战。合金的强度的模数几乎总是同时提升或降低。具有较佳的生物兼容性和较低模数(比Ti-6Al-4V)的一系列β和近-β相Ti合金最近已经有人开发出来。尽管如此，这些合金通常必须含有大量这样的β-促进元素如同Ta、Nb和W。举例来说，分别需要约50重量％和35重量％的Ta和Nb以形成β-相二元Ti-Ta合金和Ti-Nb合金。添加大量这样的重质、高成本而且高熔融温度的元素使密度(低密度是Ti和Ti合金之一固有的优点)、制造成本及加工困难度提高。最近专利技术人的实验室开发出不含Al和V、高强度、低模数α”相且以Ti-Mo为底质的合金系统(通常为Ti-7.5Mo)，其证实机械性质优于大部分现存能植入的Ti合金而且非常有机会作为整形外科或人工齿根材料。此α"型Ti-7.5Mo合金的生物兼容性是透过细胞毒性试验及动物植入研究确认。此合金的细胞活性类似于Al2O3(控制组)的细胞活性。动物研究指出，植入6周之后，于合金表面处能轻易观察到新骨形成。令人感兴趣的是发觉到，经过26周之后，长在类似植入部位的Ti-7.5Mo植入物表面上的新骨量戏剧性地比Ti-6Al-4V植入物更多，表示是更快许多的复原过程。US6,726,787B2提供此生物兼容性的低模数、高强度钛合金的制造方法，其包含制备组成基本上由至少一同型异质β安定化元素(其是选自由Mo、Nb、Ta及W所组成的群组)；及剩余部分的Ti所组成的钛合金，其中该组成具有约6至约9的Mo当量值。用于获得该低模数、高强度钛合金的关键方法是所述合金必须从高于800℃的温度于高于每秒10℃的冷却速率下进行快速冷却程序，较佳是高于每秒20℃。该Mo当量值，[Mo]eq，是由下列方程式来表示，[Mo]eq＝[Mo]+0.28[Nb]+0.22[Ta]+0.44[W]，其中[Mo]、[Nb]、[Ta]和[W]分别是以该组成的重量为基准的Mo、Nb、Ta和W的百分比。尽管如此，具有非立方性(非对称性)斜方晶系晶体构造α”相的合金一般均难以冷加工。此差的冷加工性大大地限制了这些材料的用途。具有α”相的钛合金主要包括Ti-Mo基合金、Ti-Nb基合金、Ti-Ta基合金和Ti-W基合金。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种由钛-钼合金制造的对象，该钛-钼合金具有较高强度和较低模数。本专利技术的另一主要目的在于提供一种用于制造由钛-钼合金制造的对象的方法，该钛-钼合金具有较高强度和较低模数。为了完成前述目的，本专利技术所揭示的用于制造以α"相作为主相的钛合金的对象的方法包含下列步骤：提供以α”相作为主相的钛-钼合金工件；及于室温冷加工该工件的至少一部分一次或重复多次以获得该对象的生坯，其中所得生坯的冷加工部分具有该工件的至少一部分的平均厚度的10％至90％的平均厚度，而且该冷加工部分以α”相作为主相。本专利技术也提供由本专利技术的方法制造且以α"相作为主相的钛合金的对象，其中由步骤b)所得的该生坯的冷加工部分具有约600至1100MPa的屈服强度及约60至85GPa的弹性模数。较佳地，步骤a)中的钛-钼合金基本上由7至9重量％的钼及剩余部分的钛组成。更佳地，该钛-钼合金基本上由约7.5重量％的钼及剩余部分的钛组成。较佳地，步骤b)中的该冷加工是进行一次而且所得的该生坯的冷加工部分具有该工件的至少一部分的平均厚度的50％至90％的平均厚度。较佳地，步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造以α相作为主相的钛合金对象的方法，其包含下列步骤：a)提供以α”相作为主相的钛‑钼合金工件；及b)于室温冷加工所述工件的至少一部分一次或重复多次以获得该对象的生坯，其中所得的所述生坯的冷加工部分具有所述工件的所述至少一部分的平均厚度的10％至90％的平均厚度，而且所述冷加工部分以α”相作为主相。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.06 US 61/567，1891.一种用于制造以α"相作为主相的钛合金对象的方法，其包含下列步骤：a)提供以α”相作为主相的钛-钼合金工件；及b)于室温冷加工所述工件的至少一部分一次或重复多次以获得该对象的生坯，其中所得的所述生坯的冷加工部分具有所述工件的所述至少一部分的平均厚度的10％至90％的平均厚度，而且所述冷加工部分以α”相作为主相；其中步骤b)中的所述冷加工是进行一次而且所得的所述生坯的冷加工部分具有所述工件的所述至少一部分的平均厚度的50％至90％之间的平均厚度，并且缩减的厚度小于50％；或其中步骤b)中的所述冷加工是重复地进行而且每次所述重复的冷加工造成所述冷加工部分的平均厚度缩减量少于40％。2.如权利要求1所述的方法，其中步骤a)中的钛-钼合金基本上由7至9重量％的钼及剩余部分的钛组成。3.如权利要求2所述的方法，其中步骤a)中的钛-钼合金基本上由7.5重量％的钼及剩余部分的钛组成。4.如权利要求1所述的方法，其中由步骤b)所得的所述冷加工部分以α”相作为主相而且以α’相作为次要相。5.如权利要求1所述的方法，其中由步骤b)所得的所述生坯的冷加工部分具有所述工件的所述至少一部分的平均厚度的35％至65％的平均厚度。6.如权利要求5所述的方法，其中由步骤b)所得的所述生坯的冷加工部分具有所述工件的所述至少一部分的平均厚度的50％的平均厚度。7.如权利要求1所述的方法，其中步骤b)中的冷加工包含辊轧、抽制、挤制或锻造。8.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建平，陈瑾惠，
申请(专利权)人：朱建平，陈瑾惠，
类型：发明
国别省市：美国;US