高疲劳强度医用钛合金及其热加工与热处理方法及器件技术

本申请公开了一种医用钛合金及其热加工与热处理方法及器件，该医用钛合金包含3.0～6.0％的钒、5.0～7.0％的铝和5.0～8.0％的铜。通过上述方式，本申请能够使医用钛合金具有较高的疲劳强度。高的疲劳强度。高的疲劳强度。

【技术实现步骤摘要】
高疲劳强度医用钛合金及其热加工与热处理方法及器件


[0001]本申请涉及医疗材料
，特别是涉及一种高疲劳强度医用钛合金及其热加工与热处理方法及器件。

技术介绍

[0002]钛合金具有良好的综合力学性能、耐腐蚀性能、加工性能和生物相容性，被广泛应用于制造人工关节、骨钉、骨针、接骨板、脊柱矫形内固定系统、牙种植体等重要植入医疗器件，是目前骨科、齿科、脑外科等植入或介入医疗器械制造中使用的最重要的原材料之一。
[0003]据统计，正常成年人每年用于一日三餐咀嚼的次数高达50～100万次，牙齿咬合力通常在2～40kg范围内变化，在交变载荷的作用下，植入的人工牙种植体有可能在远低于其屈服强度的条件下发生疲劳断裂。报道表明，早期开发的Ti-6Al-4V合金牙种植体曾在术后6个月内多次发生因疲劳强度不足而导致的折断。随着材料制备与加工技术的发展，钛合金的性能更加稳定，目前牙种植术的短期成功率可达98％。但对患者植入后15年的随访发现，因种植体失效带来的翻修仍然超过20％。另据报道，成年人一侧髋关节每年的运动周数高达100～200万次，在一个正常的步态周期内，人的髋、膝和踝关节将承受高达体重3～10倍的载荷，植入的人工关节材料将承受巨大的应力。钛合金人工关节柄常因疲劳强度不足而发生断裂，带来严重的医疗事故。统计表明，超过90％的钛合金人工髋关节假体在术后8～10年内需要进行二次翻修手术，这给患者带来了巨大的身心压力与负担。因此，为了满足患者临床治疗的有效性与长期安全性，需要钛合金材料具有良好的疲劳性能。
[0004]众所周知，提高材料表面光洁度、对材料表面处理均可提高金属材料的疲劳强度。表面越光洁(既粗糙度越低)，材料的疲劳强度就越高。但对于医用钛合金而言，为了保证其良好的生物相容性，常需刻意提高其表面粗糙度，这意味着通过降低表面粗糙度来提高疲劳性能的方法往往是不可行的。对材料进行表面处理，例如表面喷丸、表面渗氮、表面涂层等，虽然能够在短期内显著提高材料的疲劳强度，但随着服役时间的延长，涂层有可能发生磨损或剥脱，这不仅会降低材料的疲劳强度，还将导致一系列生物安全性问题。综上所述，针对医用钛合金在临床应用中暴露出的疲劳强度不足问题，促使人们不断改良和优化现有钛合金材料，并积极开发具有更高疲劳强度的新型钛合金。

技术实现思路

[0005]本申请主要解决的技术问题是提供一种医用钛合金及其热加工与热处理方法及器件，能够使医用钛合金具有较高的疲劳强度。
[0006]为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种医用钛合金，该医用钛合金包含3.0～6.0％的钒、5.0～7.0％的铝和5.0～8.0％的铜。
[0007]其中，医用钛合金中包含有纳米尺度的Ti2Cu相。
[0008]为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种医用钛合金的热加工方法，该方法包括：提供医用钛合金铸锭，医用钛合金铸锭包含3.0～6.0％的钒、5.0
～7.0％的铝和5.0～8.0％的铜；对医用钛合金铸锭进行预锻造，得医用钛合金坯料；将医用钛合金坯料在820～860℃下保温后进行多向锻造，得到医用钛合金锻件。
[0009]其中，对医用钛合金铸锭进行预锻造包括：将医用钛合金铸锭在950～1100℃下均匀化处理2～4小时；将医用钛合金铸锭分多道次锻造，其中终锻温度不得低于900℃。
[0010]其中，将医用钛合金坯料在820～860℃下保温后进行多向锻造包括：将医用钛合金坯料在820～860℃下保温1～3小时；对医用钛合金坯料进行多向锻造。
[0011]其中，提供医用钛合金铸锭包括：提供医用钛合金原料，医用钛合金原料包含3.0～6.0％的钒、5.0～7.0％的铝和5.0～8.0％的铜；对医用钛合金原料进行冶炼，浇注得到医用钛合金铸锭。
[0012]其中，对医用钛合金原料进行冶炼包括：将医用钛合金原料加入到电弧冶炼炉中进行冶炼；或将医用钛合金原料加入到真空自耗电弧炉中进行重熔精炼。
[0013]其中，至少进行三次重熔精炼，得到医用钛合金铸锭。
[0014]为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种医用钛合金的热处理方法，该方法包括：提供医用钛合金锻件，医用钛合金锻件包含3.0～6.0％的钒、5.0～7.0％的铝和5.0～8.0％的铜；对医用钛合金锻件进行退火处理，得到医用钛合金退火件，退火处理的条件为680～760℃，保温0.5～2小时。
[0015]其中，对医用钛合金锻件进行退火处理之后还包括：将医用钛合金退火件空冷至室温。
[0016]其中，对医用钛合金锻件进行退火处理之前还包括：对医用钛合金锻件进行水淬处理。
[0017]其中，提供医用钛合金锻件包括：利用上述的医用钛合金的热加工方法对钛合金铸锭进行热加工得到医用钛合金锻件。
[0018]为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种医用钛合金器件，该医用钛合金器件是利用上述的医用钛合金制成的。
[0019]本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请所提供的医用钛合金，通过在钛合金中添加适量铜元素，能够改善所得钛合金的力学性能，特别地，能够提高所得钛合金的疲劳强度。
附图说明
[0020]图1是本申请实施例中医用钛合金的光学显微组织照片；
[0021]图2是本申请实施例中医用钛合金的透射电镜微观组织结构照片；
[0022]图3是本申请实施例中医用钛合金的x射线衍射图谱；
[0023]图4是本申请实施例中医用钛合金的扫描电镜微观组织结构照片；
[0024]图5为图4中白色框局部区域的放大图。
[0025]图6是现有医用钛合金的扫描电镜微观组织结构照片；
[0026]图7是本申请实施例中进行疲劳性能测试的疲劳实验试样尺寸示意图。
具体实施方式
[0027]为使本申请的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对
本申请进一步详细说明。
[0028]为开发具有更高疲劳强度的新型钛合金，本申请的专利技术人发现优化材料的成分和/或微观组织结构均可提高金属材料的疲劳强度。这是因为当材料的自身强度得到提高时，其疲劳强度一般也随之提高。因此，可以从材料学角度出发，通过优化材料的成分和/或微观组织结构，以提高医用钛合金的疲劳性能。
[0029]本申请提供一种医用钛合金，该医用钛合金包括3.0～6.0％的钒(V)、5.0～7.0％的铝(Al)和5.0～8.0％的铜(Cu)。其中，铜的含量可以为5.0％、5.2％、5.5％、5.8％、6.0％、6.5％、7.0％等，钒的含量可以为3.0％、4.2％、5.3％、6.0％等，铝的含量可以为5.0％、5.7％、6.3％、7.0％等。
[0030]进一步地，医用钛合金包括3.0～6.0％的钒、5.0～7.0％的铝和5.0～6.0％的铜，余量为钛(Ti)，以及不可避免的杂质元素，合金中的杂质元素含量应符本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种医用钛合金，其特征在于，所述医用钛合金包含3.0～6.0％的钒、5.0～7.0％的铝和5.0～8.0％的铜。2.根据权利要求1所述的医用钛合金，其特征在于，所述医用钛合金中包含纳米尺度的Ti2Cu相。3.一种医用钛合金的热加工方法，其特征在于，包括：提供医用钛合金铸锭，所述医用钛合金铸锭包含3.0～6.0％的钒、5.0～7.0％的铝和5.0～8.0％的铜；对所述医用钛合金铸锭进行预锻造，得到医用钛合金坯料；将所述医用钛合金坯料在820～860℃下保温后进行多向锻造，得到医用钛合金锻件。4.根据权利要求3所述的医用钛合金的热加工方法，其特征在于，所述对医用钛合金铸锭进行预锻造包括：将所述医用钛合金铸锭在950～1100℃下均匀化处理2～4小时；将所述医用钛合金铸锭分多道次锻造，其中终锻温度不得低于900℃。5.根据权利要求3所述的医用钛合金的热加工方法，其特征在于，所述将医用钛合金坯料在820～860℃下保温后进行多向锻造包括：将所述医用钛合金坯料在820～860℃下保温1～3小时；对所述医用钛合金坯料进行多向锻造。6.根据权利要求3所述的医用钛合金的热加工方法，其特征在于，所述提供医用钛合金铸锭包括：提供医用钛合金原料，所述医用钛合金原料包含3.0～6.0％的钒、5.0～7.0％的铝和5.0～8...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏翔，
申请(专利权)人：苏州森锋医疗器械有限公司，
类型：发明
国别省市：