一种生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金及其制备方法和应用，属于非晶合金材料技术领域。该合金按原子百分比计的化学成分为：Zr 50.6

【技术实现步骤摘要】
一种生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及非晶合金材料
，具体涉及一种生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]非晶合金又被称为金属玻璃，其具有长程无序、短程有序的特殊微观结构。从性能上讲，非晶合金具有高强度、高弹性、高硬度等特点。然而非晶合金的一个主要缺点在于其低形成能力。其制造过程中需要使熔融的合金液体以极高的速度冷却至室温，从而保留液体时的无序状态。冷却速度稍低时，即有可能使合金晶化，无法形成纯非晶。此外，炉腔气氛也是影响非晶合金制造的重要影响因素，非晶合金的熔炼或浇铸时必须在高纯氩气环境中进行，否则炉腔内的游离氧气会造成合金锭氧化，在浇铸过程中与合金元素反应，形成金属陶瓷相，阻碍纯非晶的形成。因而，低形成能力阻碍了非晶合金的发展和应用。
[0003]Zr基非晶合金在一众非晶合金体系中具有较高的形成能力，许多成分都可以形成直径1mm以上的块体非晶合金。同时，Zr基非晶合金还拥有较高的可制造性，加入微量的Y即可吸收固定合金中的游离氧，从而降低熔炼或浇铸时的气氛要求。因而在消费电子、汽车和航空航天等许多领域获得了应用。近年来日本研究者将Zr基非晶合金应用于生物医学领域，与小鼠成骨细胞的黏附实验证明其具有较高的生物相容性。然而，被人诟病的是，目前研究的Zr基非晶合金大多具有Ni、Y等被认为具有细胞毒性的元素，长期植入或对人体造成生理影响：有证据表明Ni可导致皮炎，口腔低剂量研究表明Ni可导致动物的生长速度和生殖能力下降。通过吸入、静脉内和肌内肠胃外施用Ni配合物可导致Ni致癌；而稀土元素大多具有骨内蓄积效应，针对Y元素的动物实验证明长期摄入Y元素将损伤肝肺功能。因此，为拓展Zr基非晶合金在生物领域的应用，研发无细胞毒性的成分是有必要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金及其制备方法和应用。该合金性能优异，制造成本低，可制造能力优秀，在生物医疗领域具有广阔的应用前景。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0006]一种生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金，按照原子百分比计，该合金化学成分为：Zr 50.6
‑
61％，Al 15.3
‑
22.1％，Co 23.5
‑
32％，Ag 0.01
‑
6％。
[0007]按照原子百分比计，该合金具有最大非晶形成尺寸(6mm)的合金成分为：Zr 52.53％，Al 18.23％，Co 27.24％，Ag 2％。
[0008]该合金的特征热力学参数如下：玻璃转变温度T
g
：480～490℃，过冷液相区
△
T：48～65℃，初始熔化温度T
m
：830～920℃；都能够形成3mm以上的非晶合金棒材。
[0009]该非晶合金具有良好的力学性能，压缩断裂强度：1.6～1.9GPa。
[0010]所述生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金的制备方法，包括如下步骤：
[0011](1)以金属Zr、Al、Co和Ag为原料，在惰性气体保护下对原料进行加热熔炼，得到母合金锭；
[0012](2)通过真空喷铸设备，将母合金锭重融后用惰性气体吹入金属模具中，冷却脱模后得到所述非晶合金。
[0013]步骤(1)中，各原料的纯度为工业纯或者试剂纯，Zr金属采用工业级海绵锆；惰性气体为氩气，加热熔炼的方法为电弧加热或感应加热。
[0014]步骤(1)中，母合金锭进行翻转熔炼，翻炼次数至少四次。
[0015]步骤(2)中，金属模具为铜模具，模具成型腔为棒状结构且直径≥3mm。
[0016]步骤(2)中，真空喷铸温度为1000℃，真空喷铸真空度为10
‑2Pa。
[0017]该非晶合金的生物相容性优于TC4合金，在生物医疗领域具有广阔的应用前景；此外，由于该合金具有较高压缩断裂强度和较低的弹性模量，因此在消费电子产品、医疗卫生、厨房洁具等领域具有一定的应用前景。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0019](1)本专利技术中的Zr基非晶合金在严苛溶液环境中具有高耐腐蚀性能。
[0020](2)本专利技术中的Zr基非晶合金可通过低纯度海绵锆制备，且对炉腔内气氛真空度要求低，成本低，可制造能力高。
[0021](3)本专利技术中的Zr基非晶合金形成能力强，最高形成能力可达6mm。
[0022](4)本专利技术中的Zr基非晶合金不含Ni、Y等具有细胞毒性的元素，生物相容性优于TC4合金，在生物医疗领域具有广阔应用前景。此外，由于该合金具有较高压缩断裂强度和较低的弹性模量，因此在消费电子产品、医疗卫生、厨房洁具等领域具有一定的应用前景。
附图说明
[0023]图1为对比例1和实施例1
‑
4的XRD衍射图谱。
[0024]图2为对比例1和实施例1
‑
4的低温DSC曲线。
[0025]图3为对比例1和实施例1
‑
4的高温DSC曲线。
[0026]图4为对比例1和实施例1
‑
4的压缩断裂强度。
[0027]图5为对比例1和实施例1
‑
4的在1mol/L H2SO4溶液中的自腐蚀电流密度。
[0028]图6为对比例1和实施例1
‑
4的在1mol/L NaOH溶液中的自腐蚀电流密度。
[0029]图7为实施例2非晶合金和TC4两种合金上培养的MC3T3
‑
E1细胞活性。
具体实施方式
[0030]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本专利技术作进一步地详细描述。
[0031]对比例1：
[0032]本对比例为铜模喷铸Zr
53.6
Al
18.6
Co
27.8
(at.％)的非晶合金棒材。
[0033]本对比例制备方法如下：首先由工业级原材料Zr、Al、Co按原子百分比配制，在氩气的保护作用下进行熔炼，得到母合金锭。为保证质量，需用纯Ti作为吸氧剂去除炉内残余氧，合金锭至少反复熔炼四次。随后将合金锭机械破碎，使用喷铸浇铸设备，将母合金碎锭
H2SO4溶液中浸泡1小时之后测量其电化学曲线后得出自腐蚀电流密度，如图6所示，自腐蚀电流密度约为219
±
38nA/cm2。
[0046]图7是本实施例非晶合金及TC4上培养的MC3T3
‑
E1细胞活性的OD值。对于孵育24小时后的MC3T3
‑
E1细胞，非晶合金的OD值略高于TC4合金的OD值。48小时后，非晶合金和TC4之间的OD值差距增大。而72小时后，非晶合金的OD值显著高于TC4的OD值。因此本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金，其特征在于：按照原子百分比计，该合金化学成分为：Zr 50.6
‑
61％，Al 15.3
‑
22.1％，Co 23.5
‑
32％，Ag 0.01
‑
6％。2.按照权利要求1所述的生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金，其特征在于：按照原子百分比计，该合金具有最大非晶形成尺寸的合金成分为：Zr 52.53％，Al 18.23％，Co 27.24％，Ag 2％。3.按照权利要求1所述的生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金，其特征在于：该合金的特征热力学参数如下：玻璃转变温度T
g
：480～490℃，过冷液相区
△
T：48～65℃，初始熔化温度T
m
：830～920℃；都能够形成3mm以上的非晶合金棒材。4.按照权利要求1所述的生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金，其特征在于：该非晶合金具有良好的力学性能，压缩断裂强度：1.6～1.9GPa。5.按照权利要求1
‑
4任一所述的生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金的制备方法，其特征在于：该制备方法包括如下步骤：(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：付华萌，邱张维佳，张海峰，李正坤，朱正旺，王爱民，李宏，张龙，张宏伟，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：