一种低模量无毒无害生物医用β型钛合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低模量无毒无害生物医用β型钛合金及其制备方法，属于医用钛合金材料制备技术领域，合金包含Mo 0

【技术实现步骤摘要】
一种低模量无毒无害生物医用
β
型钛合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及医用钛合金材料制备
，特别是涉及一种低模量无毒无害生物医用β型钛合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]钛及钛合金具有比强度高、弹性模量低、耐蚀性强及生物相容性好等特性被广泛应用于生物医学领域。钛合金的研究发展历程大致分为三个阶段，第一阶段主要为纯钛和Ti
‑
6Al
‑
4V，第二阶段为α+β型合金，以Ti
‑
5Al
‑
2.5Fe和Ti
‑
6Al
‑
7Nb为代表，第三阶段则为β型和亚稳β型钛合金，如Ti
‑
12Mo
‑
3Nb、Ti
‑
25Nb
‑
(8
‑
15)Sn等；其中纯钛和α+β型Ti
‑
6Al
‑
4V合金被广泛应用于矫形外科假体和牙种植领域，但因其弹性模量(约为110GPa)远高于人体骨(20
‑
30GPa)，植入人体后易引起长期“应力屏蔽和应力刺激(Stress shielding effect)”，造成植入体周围骨组织吸收或萎缩，此外，合金中Al和V离子的缓慢释放会导致神经退行性疾病。
[0003]与α型、α+β型钛合金相比，β型钛合金具有较高比强度、较低弹性模量、高塑性、优良的耐腐蚀性及耐磨性能，从而使其在生物医用领域得到迅速发展，尤其当β型钛合金中含有Mo、Zr、Nb、Ta和Sn等无毒无害元素时，β钛合金具有更优异的生物相容性，并可在不同程度上改善合金的力学性能、耐磨性能。因此，研制和使用具有低模量、高强度高生物活性的生物医用β型钛合金是目前国内外研究的热点。
[0004]现有的生物医用β型钛合金相关制备工艺包括：
[0005](1)申请号为201010217090.1的中国专利，公开了一种通过非自耗电弧熔炼法制备的Ti
‑
Mo
‑
Nb
‑
Zr
‑
Sn的低Nb含量生物医用β型钛合金，该合金塑性好，对人体无毒，但其弹性模量在58
‑
70GPa，弹性模量依然较高，且多种元素由于熔点不同，制备均匀的合金所需工艺复杂，此外，不能明确分析合金不同元素及其含量对合金综合力学性能、耐腐蚀性能优劣的影响。
[0006](2)申请号为201710704920.5的中国专利，公开了一种经过熔炼、锻造、固溶和时效处理后制备的Ti
‑
Al
‑
Fe
‑
V合金，该合金含有大量β稳定元素Fe，具有低成本、高强度高塑性特征，但其合金成分中含有V，而V离子的缓慢释放会导致神经退行性疾病。
[0007](3)申请号为201910084021.9的中国专利，公开了一种通过研磨原料、压制、高温烧结工艺制备的β型Ti
‑
27Nb
‑
6Zr
‑
Mo合金，该合金弹性模量为42GPa，抗压强度为760MPa，耐腐蚀性显著提高，但该合金成分种类较多，制备均匀的合金所需工艺复杂。
[0008]基于生物医用β型钛合金的上述现状，提供一种制备工艺简单，同时合金组成元素对人体无害、弹性模量较低的生物医用β型钛合金是目前需要解决的一大技术难题。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种低模量无毒无害生物医用β型钛合金及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，使β型钛合金的合金组成元素种类少、含量低，且对人体无
害、弹性模量较低，同时使得β型钛合金的制备方法简单。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0011]本专利技术提供一种生物医用β型钛合金，包括以下百分含量的金属元素：Mo 0
‑
15wt.％、Zr 0
‑
20wt.％，且Mo和Zr不同时为0；剩余部分为Ti及不可避免的杂质。
[0012]进一步地，每种所述金属元素的纯度≥99.5％
[0013]本专利技术还提供一种上述生物医用β型钛合金的制备方法，包括以下步骤：
[0014](1)按照重量比分别称取Ti、Mo、Zr金属原料，清洗干燥；
[0015](2)将清洗干燥后的各金属原料按熔点由低到高的顺序加入真空感应电弧熔炼炉中压制成电极，在氩气氛围保护环境下熔炼制得合金铸锭；
[0016](3)将熔炼好的铸锭进行均质化热处理，淬火；
[0017](4)将均质化后的合金铸锭进行固溶热处理，水冷，即得生物医用β型钛合金。
[0018]进一步地，步骤(3)中，所述均质化处理的参数为：升温速率为5～10℃/min,真空度为1.0
×
10
‑3～5.0
×
10
‑3Pa，经900℃均质化处理10
‑
24h。
[0019]进一步地，步骤(4)中，所述固溶热处理的具体参数为：升温速率为5～10℃/min,真空度为1.0
×
10
‑3～5.0
×
10
‑3Pa，经900℃固溶处理30
‑
60min。
[0020]本专利技术公开了以下技术效果：
[0021]1.本专利技术提出的低模量无毒无害生物医用β型钛合金，以β相稳定元素Mo、中性元素Zr及Ti为组成元素，组成元素种类较少，合金制备工艺简单，组成成分可控，可有效探明不同合金元素含量对其性能的影响。
[0022]2.元素Mo是钛合金形成的强有力的β稳定剂，可显著降低Ti
‑
Mo合金的杨氏模量，提高其耐蚀性并具有一定程度的生物相容性；Zr与Ti属于同一IVB族，具有相似的物理化学性质，Zr能提高Ti
‑
Zr合金的机械强度和生物相容性；Mo、Zr与细胞接触时不会出现任何细胞毒性反应，对人体无毒无害，通过结合两种合金元素，Ti
‑
Mo
‑
Zr合金有望广泛应用在骨科、牙科等人体硬组织修复与替换的生物医用领域。
[0023]3.本专利技术提出了真空感应电弧熔炼+均质化热处理+固溶处理的复合制备工艺，该工艺操作简单，周期较短，制备的合金可进一步实现合金的组织成分可控，并可在保持合金材料具有足够强度的同时有效降低合金的弹性模量，提高耐腐蚀性能。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为本专利技术合金的XRD图；
[0026]图2为本专利技术合金的金相显微图；其中，a为实施例1的Ti
‑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物医用β型钛合金，其特征在于，包括以下百分含量的金属元素：Mo 0
‑
15wt.％、Zr 0
‑
20wt.％，且Mo和Zr不同时为0；剩余部分为Ti及不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的生物医用β型钛合金，其特征在于，每种所述金属元素的纯度≥99.5％。3.一种如权利要求1
‑
2任一项所述的生物医用β型钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按照重量比分别称取Ti、Mo、Zr金属原料，清洗干燥；(2)将清洗干燥后的各金属原料按熔点由低到高的顺序加入真空感应电弧熔炼炉中压制成电极，在氩气氛围保护环境下熔炼制得合金铸锭；(3)将熔炼好的铸锭进行均质化热处理，淬火；(4)将均质化后的合金铸锭进行固溶热处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志君，孙纯纯，蔡变云，张金勇，徐欢，沈宝龙，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：