一种低弹性模量高强度近β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr的制备方法技术

本发明专利技术属于生物医用材料技术领域，公开了一种低弹性模量高强度近β型医用钛合金Ti‑13Nb‑13Zr的制备方法，按合金标准配比进行配料；经油压机压制成致密电极块；将致密的电极块焊接成电极；电极经真空自耗电弧炉熔炼成铸锭；铸锭经均匀化热处理开坯锻造，然后进行中间锻造，从1050℃降温至850℃，锻成中间板坯；板坯进行固溶处理，快速冷却后得到具有一定比例斜方马氏体相和残余β相的组织；冷轧，固溶时效处理后获得β相+弥散α相的两相组织，即得。本发明专利技术合金的弹性模量为60～80GPa，冷轧后室温下抗拉强度800～1200MPa，延伸率为8％～16％。合金可广泛用于制作生物医用器件。

Preparation of Ti-13Nb-13Zr Medical Titanium Alloy with Low Elastic Modulus and High Strength

The invention belongs to the technical field of biomedical materials, and discloses a preparation method of Ti_13Nb_13Zr, a low elastic modulus and high strength near beta medical titanium alloy, which is proportioned according to the standard proportion of the alloy; compact electrode blocks are pressed by an oil press; compact electrode blocks are welded into electrodes; electrodes are melted into ingots by vacuum consumable arc furnace; ingots are forged by uniform heat treatment; Secondly, intermediate forging is carried out, and the intermediate slab is forged from 1050 to 850 C. After solid solution treatment, the slab is rapidly cooled to obtain the structure with a certain proportion of oblique martensite phase and residual beta phase. After cold rolling and solid solution aging treatment, the two-phase structure of beta phase and dispersed alpha phase is obtained. The elastic modulus of the alloy is 60-80 GPa, the tensile strength is 800-1200 MPa at room temperature after cold rolling, and the elongation is 8%-16%. Alloys can be widely used in the fabrication of biomedical devices.

【技术实现步骤摘要】
一种低弹性模量高强度近β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr的制备方法
本专利技术属于生物医用材料
，尤其涉及一种低弹性模量高强度近β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr的制备方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：钛合金以低密度、高比强度、良好生物相容性等特点，近年来被广泛应用在生物医用领域。但是，目前常用的纯钛强度低；TC4、TC20钛合金中含有Al、V有害元素，弹性模量(100～120GPa)与人体骨的弹性(17～35GPa)不匹配，会产生应力转移，造成二次损伤，加重病人的痛苦。据此人们开发了近β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr，合金中含有能够满足最佳生物学相容性的金属(Ti、Nb、Zr)，通过控制热处理制度和冷变形率可使合金的弹性模量在60～80GPa、抗拉强度800～1200MPa范围变化，能够满足不同承力外科植入件的需求，是制造外科植入件的理想材料。目前，关于Ti-Nb-Zr-Ta方面的相关专利包括申请号为201110056103，专利技术名称为《低弹高强近β型Ti-Nb-Ta-Zr合金及其制备方法》的专利技术专利，重量百分比为：铌28％-32％，钽4％-5.5％，锆5％-15％，余量为钛。经真空非自耗电弧炉熔炼成纽扣状Ti-Nb-Ta-Zr铸锭；将铸锭经热锻后，锻成尺寸为3mm×30mm×70mm的薄板状；经线切割后的试样在750～800℃固溶处理，水淬，获得单相β组织；固溶后的试样在450～500℃时效处理，空冷，获得β相+弥散α相的两相组织。该合金中添加了Ta，提高了制备成本。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)现有技术中，常用的纯钛强度低，TC4、TC20钛合金中含有Al、V有害元素，弹性模量(100～120GPa)与人体骨的弹性(17～35GPa)不匹配，会产生应力转移，造成二次损伤，加重病人的痛苦；(2)现有技术中合金中添加了Ta，提高了制备成本。解决上述技术问题的难度和意义：钛合金以低密度、高比强度、良好生物相容性等特点，近年来被广泛应用在生物医用领域。但是，目前常用的纯钛强度低；TC4、TC20钛合金中含有Al、V有害元素，弹性模量(100～120GPa)与人体骨的弹性(17～35GPa)不匹配，会产生应力转移，造成二次损伤，加重病人的痛苦。这是现有技术解决的难度。解决上述技术问题后，带来的意义为：据此本专利技术开发了近β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr，合金中含有能够满足最佳生物学相容性的金属(Ti、Nb、Zr)，通过控制热处理制度和冷变形率可使合金的弹性模量在60～80GPa、抗拉强度800～1200MPa范围变化，能够满足不同承力外科植入件的需求，是制造外科植入件的理想材料。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种低弹性模量高强度近β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr的制备方法。本专利技术是这样实现的，一种低弹性模量高强度近β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr由铌、锆和钛组成，重量百分比为：铌12.5％-14％，锆12.5％-14％，余量为钛及不可避免的杂质。制备的合金具有低弹性模量(60～80GPa)、高强度(800～1200MPa)和良好的生物相容性，是制造人工关节、加压固定板、口腔种植体、支架、心脏瓣膜等外科植入件的理想材料。本专利技术提供的另一目的在于提供的一种低弹性模量高强度近β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr的制备方法，具体包括以下步骤：步骤一：按Ti-13Nb-13Zr合金标准配比进行配料，将海绵钛与难熔金属Nb粉按重量百分比2～4∶1的比例、在混料机中机械搅拌混合1～3小时后，配入电极块中，并添加海绵锆，经油压机压制成致密电极块；步骤二：将致密的电极块经等离子氩弧焊机焊接成电极，电极经真空自耗电弧炉熔炼成Ti-13Nb-13Zr铸锭；步骤三：将所得的合金铸锭经均匀化处理后进行开坯锻造，然后进行中间锻造，逐渐从1050℃降温至850℃，锻成中间板坯；步骤四：将中间板坯进行固溶处理，快速冷却，得到固溶态合金板坯；将所得固溶态合金板坯进行冷轧，变形量超过60％，获得冷轧板；步骤五：将所得冷轧板经固溶处理700～800℃下保温0.5～1小时，快速冷却，获得一定比例斜方马氏体相和残余β相的组织；将所得冷轧板经固溶时效处理700～800℃下保温0.5～1小时，快速冷却+480～560℃/4～6小时、空冷，获得β相+弥散α相的两相组织，即得。进一步，步骤一中，海绵钛为平均粒度范围在0.83～6mm的细颗粒海绵钛；Nb粉为粒度范围在-100～-200目的难熔金属Nb粉。进一步，步骤三中，均匀化处理为在1000～1100℃下保温2～6小时。进一步，步骤四中，固溶处理为在700～800℃下保温0.5～1小时。进一步，步骤五中，冷却的速率不低于300℃/s。本专利技术提供的另一目的在于利用本专利技术制得的合金可广泛用于制作生物医用器件。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：本专利技术提供的Ti-13Nb-13Zr合金由铌、锆和钛组成，合金中含有能够满足最佳生物学相容性的金属(Ti、Nb、Zr)，经锻造热轧、冷轧、热处理后所得Ti-13Nb-13Zr合金板材的弹性模量为60～80GPa、室温下抗拉强度800～1200MPa，延伸率为8％～16％，具有良好的生物相容性和力学相容性，是骨科植入件的理想替代材料。而目前临床常用的医用钛合金纯钛强度偏低；TC4、TC20合金中含有对人体有害的Al、V元素；弹性模量(100～120GPa)与人体骨的弹性(17～35GPa)严重不匹配，会产生应力转移，造成二次损伤，加重病人的痛苦。本专利技术提供的Ti-13Nb-13Zr合金可广泛用于制作生物医用器件。附图说明图1是本专利技术实施例提供的低弹性模量高强度近β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr的制备方法流程图。图2是本专利技术实施例提供的Ti-13Nb-13Zr板材固溶状态显微组织图。图3是本专利技术实施例提供的Ti-13Nb-13Zr板材固溶时效状态显微组织图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例提供的一种低弹性模量高强度近β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr由铌、锆和钛和不可避免的微量杂质元素组成。下面结合附图对本专利技术的应用原理做详细描述。如图1所示，本专利技术实施例提供的低弹性模量高强度近β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr的制备方法，具体包括以下步骤：S101：按Ti-13Nb-13Zr合金标准配比进行配料，将海绵钛与难熔金属Nb粉按重量百分比2～4∶1的比例、在混料机中机械搅拌混合1～3小时后，配入电极块中，并添加海绵锆，经油压机压制成致密电极块；S102：将致密的电极块经等离子氩弧焊机焊接成电极，电极经真空自耗电弧炉熔炼成Ti-13Nb-13Zr铸锭；S103：将所得的合金铸锭经均匀化热处理后进行开坯锻造，然后进行中间锻造，逐渐从1050℃降温至850℃，锻成中间板坯；S104：将中间板坯进行固溶处理，快速冷却，得到固溶态合金板坯；将所得固溶态合金板坯进行冷轧，变形量超过60％，获得冷轧板；S105：将所得冷轧板经固溶处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低弹性模量高强度近β型医用钛合金Ti‑13Nb‑13Zr的制备方法，其特征在于，所述的低弹性模量高强度近β型医用钛合金Ti‑13Nb‑13Zr的制备方法，具体包括以下步骤：步骤一：按Ti‑13Nb‑13Zr合金标准配比进行配料，将海绵钛与难熔金属Nb粉按重量百分比2～4∶1的比例、在混料机中机械搅拌混合1～3小时后，配入电极块中，并添加海绵锆，经油压机压制成致密电极块；步骤二：将致密的电极块经等离子氩弧焊机焊接成电极，电极经真空自耗电弧炉熔炼成Ti‑13Nb‑13Zr铸锭；步骤三：将所得的合金铸锭经均匀化处理后进行开坯锻造，然后进行中间锻造，逐渐从1050℃降温至850℃，锻成中间板坯；步骤四：将中间板坯进行固溶处理，快速冷却，得到固溶态合金板坯；将所得固溶态合金板坯进行冷轧，变形量超过60％，获得冷轧板；步骤五：将所得冷轧板经固溶处理700～800℃下保温0.5～1小时，快速冷却，获得一定比例斜方马氏体相和残余β相的组织；将所得冷轧板经固溶时效处理700～800℃下保温0.5～1小时，快速冷却+480～560℃/4～6小时、空冷，获得β相+弥散α相的两相组织，即得。

【技术特征摘要】
1.一种低弹性模量高强度近β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr的制备方法，其特征在于，所述的低弹性模量高强度近β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr的制备方法，具体包括以下步骤：步骤一：按Ti-13Nb-13Zr合金标准配比进行配料，将海绵钛与难熔金属Nb粉按重量百分比2～4∶1的比例、在混料机中机械搅拌混合1～3小时后，配入电极块中，并添加海绵锆，经油压机压制成致密电极块；步骤二：将致密的电极块经等离子氩弧焊机焊接成电极，电极经真空自耗电弧炉熔炼成Ti-13Nb-13Zr铸锭；步骤三：将所得的合金铸锭经均匀化处理后进行开坯锻造，然后进行中间锻造，逐渐从1050℃降温至850℃，锻成中间板坯；步骤四：将中间板坯进行固溶处理，快速冷却，得到固溶态合金板坯；将所得固溶态合金板坯进行冷轧，变形量超过60％，获得冷轧板；步骤五：将所得冷轧板经固溶处理700～800℃下保温0.5～1小时，快速冷却，获得一定比例斜方马氏体相和残余β相的组织；将所得冷轧板经固溶时效处理700～800℃下保温0.5～1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杜娟，曹继敏，罗乾伟，樊亚军，贺峰，曹依玮，王戈，张温馨，
申请(专利权)人：西安圣泰金属材料有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61