一种低弹性模量高塑性钛合金及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于钛合金技术领域，具体涉及一种低弹性模量高塑性钛合金及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的低弹性模量高塑性钛合金，包括以下质量百分含量的元素：Fe 1.5～2.5％，Nb 12～18％，Sn 4～6％，Zr 4～10％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述低弹性模量高塑性钛合金的值为2.75～2.86，值为2.35～2.44。本发明专利技术所述低弹性模量高塑性钛合金由无毒的Fe、Nb、Sn、Zr和Ti组成，具有良好的生物相容性；通过各元素的协同配合，降低了钛合金的弹性模量且提高了塑性。实验结果表明，本发明专利技术提供的低弹性模量高塑性钛合金弹性模量为59～70GPa，延伸率为20.4～41.6％。延伸率为20.4～41.6％。延伸率为20.4～41.6％。

【技术实现步骤摘要】
一种低弹性模量高塑性钛合金及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于钛合金
，具体涉及一种低弹性模量高塑性钛合金及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]医用合金具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能，是临床应用中最广泛的承力植入材料。医用合金主要有不锈钢、钴铬合金及钛合金三种医用材料，其中，钛合金是目前已知的生物亲和性最好的医用合金。实践中，高弹性模量的植入用医用合金易导致骨质疏松、无菌松动、肌肉萎缩甚至由于应力屏蔽引发手术失败。临床试验和力学实验发现，钛合金的弹性模量(40～150GPa)比不锈钢(约200GPa)和钴铬合金(约235GPa)更接近人骨的弹性模量(10～40GPa)，技术人员也一直追求获得更接近人骨弹性模量的钛合金。例如，美国开发的Ti
‑
13Nb
‑
13Zr合金(铸态)，弹性模量79～84GPa，但该合金弹性模量仍偏高，易产生应力屏蔽问题；日本Niinomi设计的Ti
‑
29Nb
‑
13Ta
‑
4.6Zr合金，弹性模量约55GPa，但塑性仅为5％，不利于钛合金的加工成型；国内外使用最广泛的医用钛合金TC4 ELI和Ti
‑
6Al
‑
7Nb弹性模量较高(100～120GPa)，易产生应力屏蔽问题，合金塑性较低(6～15％)限制了合金加工成型和使用寿命，此外合金中Al、V毒性元素在人体中长期积累会诱发相关疾病。基于医用钛合金在人体这一特殊环境中应用，目前的钛合金无法在生物亲和性优良的基础上兼顾低弹性模量和高塑性。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种低弹性模量高塑性钛合金，具有生物亲和性优良、弹性模量低且塑性高的特点，满足医用合金使用需求。
[0004]为了实现上述专利技术的目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0005]本专利技术提供了一种低弹性模量高塑性钛合金，包括以下质量百分含量的元素：
[0006]Fe 1.5～2.5％，Nb 12～18％，Sn 4～6％，Zr4～10％，余量为Ti和不可避免的杂质；
[0007]所述低弹性模量高塑性钛合金的值为2.75～2.86，值为2.35～2.44，所述值和值分别按照式I和式II计算：
[0008]＝2.790Ti％+3.099Nb％+3.086Zr％+2.283Sn％+2.651Fe％
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式I，
[0009]＝2.447Ti％+2.424Nb％+2.934Zr％+2.100Sn％+0.969Fe％
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式II，
[0010]式I和式II中的元素均以摩尔百分含量计。
[0011]优选的，所述低弹性模量高塑性钛合金的弹性模量≤70GPa，延伸率≥20.4％。
[0012]本专利技术还提供了上述技术方案所述低弹性模量高塑性钛合金的制备方法，包括以下步骤：
[0013]将合金原料混合熔炼后冷却，得到合金锭；
[0014]将所述合金锭依次进行热轧和淬火，得到所述低弹性模量高塑性钛合金。
[0015]优选的，所述熔炼为真空非自耗电弧熔炼；所述熔炼中熔炼设备内的背底真空度≤2.0
×
10
‑2Pa；所述真空非自耗电弧熔炼的电流为300～500A，电压为15～30V。
[0016]优选的，所述熔炼包括交替进行的熔化和随炉冷却，所述熔化的次数≥8次；所述熔化的时间为5～9min/次。
[0017]优选的，所述热轧的轧制温度为780～880℃，每道次轧制的下压量独立地为7～10％；所述热轧后所得热轧板的厚度为3～4mm。
[0018]优选的，所述热轧中每道次轧制后还包括对轧制所得产品进行保温；所述保温的温度为780～880℃，时间为5～8min。
[0019]优选的，所述淬火的保温温度为800～850℃，保温时间为5～10min。
[0020]本专利技术还提供了上述技术方案所述低弹性模量高塑性钛合金或上述技术方案所述制备方法制备的低弹性模量高塑性钛合金在制备承力植入材料中的应用。
[0021]本专利技术提供了一种低弹性模量高塑性钛合金，包括以下质量百分含量的元素：Fe 1.5～2.5％，Nb 12～18％，Sn 4～6％，Zr 4～10％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述低弹性模量高塑性钛合金的值为2.75～2.86，值为2.35～2.44，所述值和值分别按照式I和式II计算：
[0022]＝2.790Ti％+3.099Nb％+3.086Zr％+2.283Sn％+2.651Fe％
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式I，
[0023]＝2.447Ti％+2.424Nb％+2.934Zr％+2.100Sn％+0.969Fe％
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式II，
[0024]式I和式II中的元素均以摩尔百分含量计。
[0025]在本专利技术中，所述低弹性模量高塑性钛合金由无毒的Fe、Nb、Sn、Zr和Ti组成，不含有Al、Cr、V和Ni等毒性元素，有利于所述低弹性模量高塑性钛合金具有良好的生物相容性；Ti提供主体元素；Nb无限固溶在β钛合金中，有利于稳定β相，且Nb与Ti之间的键能高，可以有效降低合金弹性模量；Zr和Sn在Ti中有较大的固溶度，以置换固溶体形式存在，均与Ti之间的键能较高，有利于降低合金弹性模量；Fe在β钛合金中以置换固溶体形式存在，可以显著降低β相变点，稳定β钛合金，并提高所述低弹性模量高塑性钛合金的强度。本专利技术中各元素以固溶态形式存在，各元素之间未形成金属间化合物，可以有效避免弹性模量的提高。此外，各元素与Ti合金有较高的和值，表明各元素与Ti的键能较高，有利于降低钛合金的弹性模量。
[0026]实验结果表明，本专利技术提供的低弹性模量高塑性钛合金弹性模量为59～70GPa，弹性模量低；屈服强度为525.9～619.8MPa，屈服强度高；断裂强度为727.4～830.1MPa，断裂强度高，具有良好的力学性能；延伸率为20.4～41.6％，延伸率高，具有优良的塑性。
附图说明
[0027]图1为实施例1所得低弹性模量高塑性钛合金的金相组织图；
[0028]图2为拉伸测试中拉伸试样标准图；
[0029]图3为实施例1～4的拉伸力学性能图。
具体实施方式
[0030]本专利技术提供了一种低弹性模量高塑性钛合金，包括以下质量百分含量的元素：
[0031]Fe 1.5～2.5％，Nb 12～18％，Sn 4～6％，Zr 4～10％，余量为Ti和不可避免的杂质；
[0032]所述低弹性模量高塑性钛合金的值为2.75～2.86，值为2.35～2.44，所述值和值分别按照式I和式II计算：
[0033]＝2.790Ti％+3.099Nb％+3.086Zr％+2.283Sn％+2.651Fe％
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式I，
[0034]＝2.4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低弹性模量高塑性钛合金，其特征在于，包括以下质量百分含量的元素：Fe 1.5～2.5％，Nb 12～18％，Sn 4～6％，Zr 4～10％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述低弹性模量高塑性钛合金的值为2.75～2.86，值为2.35～2.44，所述值和值分别按照式I和式II计算：值分别按照式I和式II计算：式I和式II中的元素均以摩尔百分含量计。2.根据权利要求1所述的低弹性模量高塑性钛合金，其特征在于，所述低弹性模量高塑性钛合金的弹性模量≤70GPa，延伸率≥20.4％。3.权利要求1或2所述低弹性模量高塑性钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将合金原料混合熔炼后冷却，得到合金锭；将所述合金锭依次进行热轧和淬火，得到所述低弹性模量高塑性钛合金。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼为真空非自耗电弧熔炼；所述熔炼中熔炼设备内的背底真空度≤2.0
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【专利技术属性】
技术研发人员：张兵，贾元智，甘致聪，张钰哲，李健，刘延国，马明臻，刘日平，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：