亚稳β型Ｔｉ－Ｎｂ－Ｔａ－Ｚｒ－Ｏ合金及其制备方法技术

一种生物医用材料技术领域的亚稳β型Ｔｉ－Ｎｂ－Ｔａ－Ｚｒ－Ｏ合金及其制备方法。所述合金组分为：３５－３８ｗｔ％Ｎｂ，０－３ｗｔ％Ｔａ，２－４ｗｔ％Ｚｒ，０．２－０．８ｗｔ％Ｏ，余量为Ｔｉ。方法为：１）采用真空自耗电弧炉熔炼方法获得成分均匀的Ｔｉ－Ｎｂ－Ｔａ－Ｚｒ－Ｏ合金；２）将Ｔｉ－Ｎｂ－Ｔａ－Ｚｒ－Ｏ合金铸锭，在８００℃－１０００℃温度范围进行热加工处理；３）经上述处理的Ｔｉ－Ｎｂ－Ｔａ－Ｚｒ－Ｏ合金在１０００℃－１２００℃温度范围经固溶淬火处理后冷却，以获得单相β组织；４）在室温下对固溶态Ｔｉ－Ｎｂ－Ｔａ－Ｚｒ－Ｏ合金进行冷加工处理，获得各种合金棒材和板材。本发明专利技术合金具有超弹性、低模量、高强度、无生物毒性、耐腐蚀、生物相容性好且易加工成型，该合金可广泛应用于生物植入体以及其它医疗器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种医疗器件
的钛合金其制备方法，具体地说，是一种 亚稳e型Ti-Nb-Ta-Zr-0合金及其制备方法。技术背景钛合金由于具有较高的强度、较低的弹性模量、良好的生物相容性以及优良 的耐腐蚀性能，已经逐渐取代不锈钢和钴基合金成为骨骼和牙齿等硬组织的替代 材料。目前临床上应用最为广泛的钛合金是a+p型Ti-6Al-4V，但该合金在植入 人体一定时间以后由于磨损和腐蚀会释放出具有细胞毒性和神经毒性的Al离子， 引起骨软化、贫血和神经紊乱等症状，此外V也被认为是对生物体有毒的元素； 而且该合金的弹性模量在115 GPa左右，仍大大高于人骨的弹性模量(小于40 GPa)。因此，从九十年代开始各国科学家致力于研发生物相容性更好、弹性模量 更低的e钛合金，而Nb、 Ta、 Zr、 Sn和Mo等无毒元素逐渐成为合金的主要添加 元素。经对现有技术的文献检索发现，国外和国内已有多个有关具有低弹性模量和 超弹性特性的生物医用钛合金的专利申请，主要是Ti-Nb-Zr和Ti-Nb-Ta系钛合 金系列，其主要代表性专利包括美国专利(4857269、 5545227、 5573401和 5169597);以及国内专利技术专利(申请号200410020501.2、 200410092858.1、 200510042894.1、 200610011076. X和200710036677. 0)。这些(3型钛合金当中典型 的合金为美国在九十年代后期开发出的Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金，Ahmed等人在 "Titanium 95， Science and Technology (钛95:禾斗学与工禾呈)，，，1996: 1760—1767上发表了 "A new low modulus biocompatible titanium alloy (——禾中 新型低模量生物相容钛合金)"，该文首次报道一种应用真空电弧炉熔炼并经后 续固溶处理的新型P钛合金Ti-35Nb-5Ta-7Zr。Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金与Ti-6A1-4V 合金相比，虽然具有更低的弹性模量(55GPa)和优良的生物相容性，但其拉伸强 度却很低，仅为590MPa，因此Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金在医学领域的应用受到了一定的限制。其次，这些P型钛合金的超弹性的获得一般是通过应力诱发马氏体相变 所产生的伪弹性，并不是真实的弹性变形，因此合金的使用温度强烈限制于合金 的马氏体转变以及马氏体逆转变温度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种亚稳e型Ti-Nb-Ta-Zr-0 合金及其制备方法。本专利技术合金具有超弹性(真实弹性变形)、低模量、高强度、 无生物毒性、耐腐蚀、生物相容性好且易加工成型，该合金可广泛应用于生物植 入体以及其它医疗器件。本专利技术是通过以下技术方案实现的本专利技术所涉及的亚稳0型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金，包含的组分及其重量百分比 含量为35-3謂b， 0-3%Ta， 2_4%Zr， 0. 2-0. 8%0，余量为Ti。所述亚稳e型Ti-Nb-Ta-Zr-0合金中，Nb和Ta的总重量百分比含量在 38%_41%之间，Ta和Zr的总重量百分比含量在3%-7%之间。本专利技术上述(3型钛合金成分设计的主要原则为1)选择合金体系成分所对应 的合金价电子浓度e/a控制在4.10-4.25范围，从晶体的弹性稳定性分析，该合 金成分处于(3相向oc六方结构相转变临界点(3相区，其弹性模量为最低；2)合金元 素的选择应使P相有足够的稳定性，在合金的加工和使用过程中避免合金中有高弹 性模量的(o以及a〃等亚稳相析出，使合金弹性模量提高；3)采用铌、钽和锆等无 生物毒性金属元素；4)合金中含有一定量的无毒间隙元素氧。本专利技术所涉及的Ti-Nb-Ta-Zr-0合金的制备方法，包括以下步骤1) 采用真空自耗电弧炉熔炼方法获得成分均匀的Ti-Nb-Ta-Zr-0合金；2) 熔炼获得的Ti-Nb-Ta-Zr-0合金铸锭，在800tO -IOOO[O温度范围进行热 加工处理；3) 经上述处理的Ti-Nb-Ta-Zr-0合金在1000进行变形量为60%的热轧成型，然后经IOOO H， 2h真空固溶处理后盐水冷却，最后在室温下进行程度为90%的冷旋锻成线材，制 成本专利技术的合金。该合金的电子浓度为4.24，处于图l所示相转变临界点附近的 (3相区，具有低的弹性模量；图2是该合金的光学显微组织，为典型的涡旋组织。X射线衍射结果表明固溶合金在冷变形过程中保持相稳定，没有应力诱发马氏体相 变发生，如图3所示。图4为本专利技术合金的纳米压痕测试曲线。结果表明随着变 形程度的增加，合金的弹性模量逐渐减小，弹性回复率逐渐增加。在所有的样品 中，变形量为90%的样品具有最低的弹性模量(40GPa)和最大的弹性回复率。在 Ringer溶液中体温条件下的动电位极化曲线测试结果表明，固溶态及冷变形态合 金均具有远优于Ti-6Al-4V的腐蚀性能，见图5。测得的室温拉伸性能为Rm=870 MPa ， RP。.2=1200 Mpa， Ae=2. 4%， A=15 %， E=40 Gpa。 实施例5以海绵钛、钛铌中间合金、钽锆中间合金、锆块和钛白粉为原料配制合金， 各组分的设计质量分别为钛(Ti) 11.8千克，铌(Nb) 7千克，钽(Ta) 0. 6千克， 锆(Zr) 0.4千克，钛白粉(Ti02)0.2千克。将原料压制成电极后采用真空自耗电弧 炉熔炼；合金铸锭在800 tO进行变形量为90%的热拔成型，然后经IOOO H， 2 h 真空固溶处理后盐水冷却，最后在室温下进行变形量为70%的冷轧成板材，制成本 专利技术的合金。测得的室温拉伸性能为Rm=900 MPa ， RP。.2=1170 MPa &=2%， A=14 %， E=44 Gpa。实施例6以海绵钛、钛铌中间合金、钽锆中间合金、锆块和钛白粉为原料配制合金， 各组分的设计质量分别为钛(Ti)11.44千克，铌(Nb)7千克，钽(Ta)0.6千克， 锆(Zr) 0.4千克，钛白粉(Ti02)0.8千克。将原料压制成电极后采用真空自耗电弧 炉熔炼；合金铸锭在900 [0进行变形量为75%的热拔成型，然后经IIOO [0， lh 真空固溶处理后水冷却，最后在室温下进行变形量为50%的冷拔成线材，制成本发 明的合金。测得的室温拉伸性能为Rm=920 MPa ， Rp。.2=1230 Mpa， Ae=l. 9%， A=12 %， E=48 Gpa。权利要求1.一种亚稳β型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金，其特征在于包含的组分及其重量百分比含量为35％-38％Nb，0％-3％Ta，2％-4％Zr，0.2-0.8％O，余量为Ti。2. 根据权利要求1所述的亚稳0型Ti-Nb-Ta-Zr-0合金，其特征是所述 Nb和Ta的总重量百分比含量在38%_41%之间。3. 根据权利要求1所述的亚稳e型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金，其特征是所述 Ta和Zr的总重量百分比含量在3%-7%之间。4. 一种如权利要求1所述的亚稳e型Ti-Nb-Ta-Zr-0合金的制备方法，其 特征在于包括以下步骤1) 釆用真空自耗电弧炉熔炼方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种亚稳β型Ｔｉ－Ｎｂ－Ｔａ－Ｚｒ－Ｏ合金，其特征在于：包含的组分及其重量百分比含量为：３５％－３８％Ｎｂ，０％－３％Ｔａ，２％－４％Ｚｒ，０．２－０．８％Ｏ，余量为Ｔｉ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭文渊，孙坚，姚强，邢辉，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]