一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金及其制备方法技术

本发明专利技术一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金及其制备方法；属于生物医用植入物设计和制造技术领域。所述生物铁基合金中含有铁、锰及硅。其制备方法包括如下步骤：在保护气氛下按比例将硅粉、锰粉、铁粉进行球磨混合，随后采用选择性激光熔化工艺制备生物铁基合金。本发明专利技术的优势是利用激光快速凝固过程提高锰和硅在铁基体中的固溶度，促使纯铁中的α‑铁素体单相向ε‑马氏体相尤其是γ‑奥氏体相转变，利用ε‑马氏体和γ‑奥氏体相比α‑铁素体相腐蚀抗性更低，且γ‑奥氏体相比ε‑马氏体相电阻率更低的特点，提高生物铁基合金的降解速率。本发明专利技术通过优化铁基体显微组织结构的方法，有效解决了生物铁基合金降解过慢的问题，促进了铁基合金在骨修复中的应用。

A kind of bio Fe based alloy with optimized structure and accelerated degradation and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金及其制备方法
本专利技术涉及一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金及其制备方法；属于生物医用植入物设计和制造

技术介绍
金属材料广泛应用于骨科等硬组织修复，但大部分金属植入材料是永久性的，需二次手术取出，不仅增加了医疗成本，而且给患者带来不必要的痛苦。如果骨科修复材料能够在生物环境下经过一定时间完全降解，则可以避免手术取出，因此具有生物可降解性的金属材料近年来已经受到越来越多的关注。铁基合金因优异的力学性能和可加工性以及良好的生物相容性，作为植入材料已广泛应用于人工假体、人工关节等承重领域。近年有学者指出：铁在大气、海水中的腐蚀特性在医学上可视为具有生物降解性，能够通过腐蚀在人体内逐渐降解，这改变了人们对铁基合金只能作为永久性植入物使用的传统思想。因此，铁基合金在作为可降解植入物修复骨缺损方面有着潜在的应用前景。但由于标准电极电位低(-0.44V)且腐蚀产物溶解度低，铁基合金在人体环境中的降解速率很慢，往往在骨组织愈合后，部分铁基植入物仍然残留在体内，这极大地限制了其应用。为了提高铁基合金的降解速率，人们开展了大量的研究工作，包括合金化、表面处理、加工工艺等，并开发了一系列新型的铁基合金，如Fe-Zn合金、Fe-C合金、Fe-Al合金等。与纯铁相比，这些铁基合金的降解速率均有不同程度的提高，但对降解速率的提高效果离使用要求还有一定的距离。因此，如何有效改善铁基合金的降解行为是促进其在生物医用植入物领域应用的关键，也是目前国内外学者的研究重点和难点。>
技术实现思路
针对现有技术中生物铁基合金降解慢的问题，本专利技术提出利用选择性激光熔化工艺将铁、锰及硅制备成一种生物可降解铁基合金。本专利技术的优势是利用激光快速凝固过程提高锰和硅在铁基体中的固溶度，促使纯铁中的α-ferrite单相向ε-martensi相，尤其是γ-austenite相转变，利用ε-martensite和γ-austenite相比α-ferrite相腐蚀抗性更低，且γ-austenite相比ε-martensite相电阻率更低的特点，达到加快生物铁基合金降解的目的。本专利技术一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金；所述生物铁基合金中，以质量百分比包括下述组分：硅5-15％；锰5-25％；铁60-90％。所述生物铁基合金含有γ-奥氏体相。作为优选方案，本专利技术一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金；所述生物铁基合金中，以质量百分比包括下述组分：硅10-15％；锰10-20％；铁65-80％。作为进一步的优选方案，本专利技术一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金；所述生物铁基合金中，以质量百分比包括下述组分：硅10％；锰20％；铁70％。本专利技术一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金的制备方法，包括以下步骤：步骤一按设计组分，配取硅粉、锰粉、铁粉，在保护气氛下，将配取的硅粉、锰粉、铁粉置于球磨机中，球磨得到混合粉末；步骤二以步骤一所得混合粉末为原料，在保护气氛下，采用选择性激光熔化工艺制备生物铁基合金。本专利技术一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金额制备方法，所述硅粉末的粒度为1-5μm，锰粉末的粒度为5-10μm，铁粉末的粒度为20-60μm。作为优选方案，本专利技术一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金的制备方法；步骤一中，在保护气氛下，先将配取的硅粉、锰粉混合球磨15-30min，转速为80-120rad/min，进一步优选为球磨20min，转速为100rad/min；然后加入铁粉末继续球磨20-40min，转速为150-300rad/min，进一步优选为球磨30min，转速为200rad/min。作为优选方案，本专利技术一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金的制备方法：步骤二中激光功率为70-150W，扫描速度为100-200mm/s，光斑直径为50-150μm。优选为激光功率为90-120W，扫描速度为125-150mm/s，光斑直径为70-130μm。更进一步优选为激光功率为100W，扫描速度为130mm/s，光斑直径为100μm。原理与优势本专利技术首次利用选择性激光熔化工艺将锰和硅合金化于铁中制备生物铁基合金。激光快速凝固过程不仅能显著细化合金晶粒，还能形成非平衡显微组织，提高合金元素固溶度，从而充分发挥锰和硅对降解行为的调控作用。一方面，通过锰的加入可促使纯铁中的α-ferrite单相转换为ε-martensite和γ-austenite相，进一步加入硅可以提高γ-austenite相的含量。而众所周知，ε-martensite和γ-austenite比α-ferrite更易腐蚀，且γ-austenitic的电阻率明显低于ε-martensitic。因此通过选择性激光熔化工艺合金化锰和硅能够得到更易腐蚀的ε-martensite和γ-austenite相，尤其是γ-austenite相，从而通过改变铁基体内显微组织的方法，加快铁基合金的降解。同时通过控制锰、硅以及铁的用量，能够优化铁基合金的组织结构，从而使其在合适时间段内全部降解。本专利技术的优化方案中，当铁基合金用作体内植入物时必须严格控制锰和硅的用量。当二者含量过高时，易在铁基体中发生团聚，从而降低铁基合金的成型性能甚至引起严重局部腐蚀，进而导致其在服役期间失效；更重要的是，过高的锰和硅用量可能会造成金属离子、非金属离子浓度超过生理安全数值，引起严重的组织细胞毒性。而如果二者用量过低，则对降解行为的改善有限，降解速率还是难以满足骨修复要求。本专利技术优化方案中，球磨及选择性激光熔化工艺参数的控制直接决定了生物铁基合金的成型质量。本专利技术中球磨工艺参数能够促进锰和硅粉末在铁粉中的均匀分布，球磨参数超出本专利技术范围时，要么会分散不均导致团聚，要么会导致粉末形状和性质发生改变，从而影响生物铁基合金的降解行为。而激光熔化过程中的主要参数是激光功率：激光功率过小，会导致混合粉末不能充分融化，产生缺陷甚至不能成型；激光功率过大，易发生应力变形甚至裂纹。与现有技术相比，本专利技术的优点如下：(1)锰分散于铁基体中，促进铁基体中的α-ferrite相转化为ε-martensite和γ-austenite相，降低了铁基体的腐蚀抗性，从而提高了生物铁基合金的降解速率。(2)硅分散于铁基体中，使生成的ε-martensite相转化为电阻率更低的γ-austenite相，加快了电子转移，从而进一步加快铁基合金降解。(3)本专利技术中生物铁基合金能够在体内自然腐蚀降解，达到治疗效果后会从体内消失，避免了永久性植入物需二次手术取出的弊端。(4)相比于α-ferrite相，本专利技术中形成的ε-martensite和γ-austenite相有更好的力学性能，能够为缺损部位起到更好的结构支撑。具体实施方式实施例1采用硅粉末的粒度为1-5μm，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金；其特征在于：所述生物铁基合金中，以质量百分比包括下述组分：/n硅5-15％；/n锰5-25％；/n铁60-90％。/n所述生物铁基合金含有γ-奥氏体相。/n

【技术特征摘要】
1.一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金；其特征在于：所述生物铁基合金中，以质量百分比包括下述组分：
硅5-15％；
锰5-25％；
铁60-90％。
所述生物铁基合金含有γ-奥氏体相。


2.根据权利要求1所述的一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金，其特征在于；所述铁基合金中，以质量百分比包括下述组分：
硅10-15％；
锰10-20％；
铁65-80％。


3.根据权利要求2所述的一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金；其特征在于；所述铁基合金中，以质量百分比包括下述组分：
硅10％；
锰20％；
铁70％。


4.一种制备权利要求1-3任意一项所述优化组织结构加快降解的生物铁基合金的制备方法；其特征在于；包括下述步骤：
步骤一
按设计组分，配取硅粉、锰粉、铁粉，在保护气氛下，将配取的硅粉、锰粉、铁粉置于球磨机中，球磨得到混合粉末；
步骤二
以步骤一所得混合粉末为原料，在保护气氛下，采用选择性激光熔化工艺制备生物铁基合金。


5.根据权利要求4所述的一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金的制备方法，其特征在于：硅粉末的粒度为1-5μm，锰粉末的粒度为5-10μm，铁粉末的粒度为20-60μm。


6....

【专利技术属性】
技术研发人员：帅词俊，高成德，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43