一种医用钽合金及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及生物医用金属材料技术领域，具体公开了一种轻质、低成本、低模量、高强度、机械加工性能优良且生物相容性优异的医用钽合金，包括如下质量百分数的各组分：钽15

【技术实现步骤摘要】
一种医用钽合金及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及生物医用金属材料
，特别是涉及一种轻质、低成本、低模量、高强度的医用钽合金及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]钽金属具有强度高、塑性和延展性好、化学稳定性高、抗腐蚀、力学可靠性高、抗疲劳性能好、生物组织亲和力高等特性，常作为高性能生物医用金属材料制造高端植介入器械，广泛应用于骨科、颅颌面、口腔和大外科等领域。比如，将纯钽用于制造髋、膝、肩、肘、踝、手和足关节植入物，椎间融合器和人工椎体脊椎植入物，股骨头坏死重建棒，骨填充物，人工颅骨补片，接骨板，牙种植体和种植支抗口腔植入物，牙科工具，血管支架抗腐蚀涂层，手术缝合线，造影剂，显影定位柱以及止血夹等。但是，钽作为稀有难熔金属，价格贵、弹性模量高、密度大、熔点高、机械加工性能差，采用纯钽制造的植介入器械价格高昂，并且不适合用于大尺寸骨缺损的替代重建。
[0003]目前，以纯钛和Ti6Al4V钛合金为代表的、价格低廉的医用金属材料被更为广泛地应用于制造植介入器械。其中，纯钛质地较软、强度低、容易变形、承重能力较差、耐腐蚀性能差，植入人体后易出现松动和腐蚀导致的失效，降低植入物的长期稳定性和预期使用寿命。Ti6Al4V钛合金是一种航空合金，并非针对生物医学应用而开发的材料，其强度和硬度比纯钛高，弹性模量也更高，所制造的植介入器械植入人体后，与骨骼弹性模量失配，易造成“应力屏蔽”，进而导致植入部位周围骨溶解和骨质疏松，植入物无菌松动失效，远低于预期使用寿命失效；Ti6Al4V钛合金中的铝和钒是对人体有害的元素，在使用过程中溶出并进入到血液和组织液以及多种器官，可能导致某些疾病。
[0004]因此，亟需开发新的低成本、低模量、高强度、生物相容性好和易加工的高性能医用金属材料以满足医用需要。中国专利技术专利申请(CN 114540689 A)公开了一种低弹性模量抗菌医用钽合金，含有质量百分数大于80％的钽和质量百分数大于1％的铜，其钽含量仍然较高，使得成本并未得到显著下降，且大于1％含量的铜可能产生一定的细胞毒性。中国专利技术专利申请(CN 115488351 A)公开了一种临界β型钛钽合金，其弹性模量低于70GPa，含有原子百分比约20
‑
27％的钽，余量为钛，不含有其他合金元素，但是，该钛钽合金不易切削，机械加工性能未得到显著改善，使得其制造植介入器械的加工难度大和费用高，规模化生产和临床应用受到较大限制。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要针对上述不足，提供一种轻质、低成本、低模量、高强度、机械加工性能优良且生物相容性优异的医用钽合金及其制备方法和应用。
[0006]一种医用钽合金，包括如下质量百分数的各组分：
[0007]钽15
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75％、铌0
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23％、锆0
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18％、铜0
‑
1％、氢≤0.01％、氧≤0.15％、碳≤0.1％、氮≤0.05％、铁≤0.2％、钨≤0.05％、钼≤0.03％、硅≤0.08％、镍≤0.03％，余量为钛。
[0008]在其中一个实施例中，所述医用钽合金包括如下质量百分数的各组分：钽25
‑
55％、铌0
‑
15％、锆0
‑
12％、铜0
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0.5％、氢≤0.001％、氧≤0.08％、碳≤0.02％、氮≤0.01％、铁≤0.005％、钨≤0.05％、钼≤0.03％、硅≤0.008％、镍≤0.003％、余量为钛。
[0009]在其中一个实施例中，所述医用钽合金中，氢、氧、碳和氮的质量百分含量之和小于0.12％。
[0010]在其中一个实施例中，所述医用钽合金中含有钽钛固溶体，所述钽钛固溶体至少包括六方相和立方相中的一种。
[0011]在其中一个实施例中，所述医用钽合金中含有均质合金相与非均质合金相，或含有均质合金相与未合金化的纯金属相，或含有均质合金相、非均质合金相以及未合金化的纯金属相。
[0012]在其中一个实施例中，所述医用钽合金的密度介于4.5g/cm3‑
16.65g/cm3之间。
[0013]本专利技术还公开了一种用于制备上述的医用钽合金的方法，包括：
[0014]选取至少包括纯钽和纯钛粉末的混合粉末作为起始原料；或选取包括纯钽和纯钛粉末、纯铌粉末、纯锆粉末和纯铜粉末的混合粉末作为起始原料；或选取氯化钽和氯化钛的混合物作为起始原料；或选取氯化钽、氯化钛、氯化铌、氯化锆和氯化铜的混合粉末作为起始原料；
[0015]采用增材制造、粉末冶金、高温熔融或气相反应中的一种方式对起始原料加工，以获得质量百分数为钽15
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75％、铌0
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23％、锆0
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18％、铜0
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1％、氢≤0.01％、氧≤0.15％、碳≤0.1％、氮≤0.05％、铁≤0.2％、钨≤0.05％、钼≤0.03％、硅≤0.08％、镍≤0.03％，余量为钛的医用钽合金。
[0016]在其中一个实施例中，所述增材制造包括挤出成型、粉末床激光熔融、粉末床电子束熔融、定向能量沉积、粉材激光熔覆、材料喷射或光致聚合中的一种；所述粉末冶金包括模板浸渍成型
‑
高温烧结、粘结剂成型
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高温烧结、干压成型/等静压成型
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高温烧结中的一种；所述高温熔融包括电子束熔融、等离子熔融、电弧熔融、感应熔融、电阻熔融、自耗电极熔融或非自耗电极熔融中的一种；所述气相反应包括氯化钽和氯化钛气相反应、钽和钛非氯化物气相反应中的一种。
[0017]在其中一个实施例中，在采用增材制造时，选取至少包括纯钽和纯钛粉末的混合粉末作为起始原料；或选取包括纯钽和纯钛粉末、纯铌粉末、纯锆粉末和纯铜粉末的混合粉末作为起始原料，起始原料的粉末纯度≥99.5％；起始原料还包括以下质量百分数的各杂质元素：氢≤0.01％、氧≤0.12％、碳≤0.05％、氮≤0.05％、铁≤0.1％、钨≤0.05％、钼≤0.03％、硅≤0.08％、镍≤0.03％；起始原料的粉末粒径为1
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150μm，其中D50尺寸为15
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85μm，D90尺寸为30
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125μm；增材制造的能量密度大于120J/mm3，扫描速率小于1500mm/s，扫描或成型层厚小于1mm，且增材制造过程进行真空或高纯惰性气体保护。
[0018]在其中一个实施例中，在采用粉末冶金时，选取至少包括纯钽和纯钛粉末的混合粉末作为起始原料；或选取包括纯钽和纯钛粉末、纯铌粉末、纯锆粉末和纯铜粉末的混合粉末作为起始原料，起始原料的粉末纯度≥99.5％；起始原料还包括以下质量百分数的各杂质元素：氢≤0.01％、氧≤0.12％、碳≤0.05％、氮≤0.05％、铁≤0.1％、钨≤0.05％、钼≤0.03％、硅≤0.08％、镍≤0.03％；起始原料的粉末粒径为0.1
‑
675μm；粉末冶金时的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种医用钽合金，其特征在于，包括如下质量百分数的各组分：钽15
‑
75％、铌0
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23％、锆0
‑
18％、铜0
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1％、氢≤0.01％、氧≤0.15％、碳≤0.1％、氮≤0.05％、铁≤0.2％、钨≤0.05％、钼≤0.03％、硅≤0.08％、镍≤0.03％，余量为钛。2.根据权利要求1所述的医用钽合金，其特征在于，所述医用钽合金包括如下质量百分数的各组分：钽25
‑
55％、铌0
‑
15％、锆0
‑
12％、铜0
‑
0.5％、氢≤0.001％、氧≤0.08％、碳≤0.02％、氮≤0.01％、铁≤0.005％、钨≤0.05％、钼≤0.03％、硅≤0.008％、镍≤0.003％、余量为钛。3.根据权利要求1所述的医用钽合金，其特征在于，所述医用钽合金中，氢、氧、碳和氮的质量百分含量之和小于0.12％。4.根据权利要求1所述的医用钽合金，其特征在于，所述医用钽合金中含有钽钛固溶体，所述钽钛固溶体至少包括六方相和立方相中的一种。5.根据权利要求1所述的医用钽合金，其特征在于，所述医用钽合金中含有均质合金相与非均质合金相，或含有均质合金相与未合金化的纯金属相，或含有均质合金相、非均质合金相以及未合金化的纯金属相。6.根据权利要求1所述的医用钽合金，其特征在于，所述医用钽合金的密度介于4.5g/cm3‑
16.65g/cm3之间。7.一种用于制备权利要求1所述的医用钽合金的方法，其特征在于，包括：选取至少包括纯钽和纯钛粉末的混合粉末作为起始原料；或选取包括纯钽和纯钛粉末、纯铌粉末、纯锆粉末和纯铜粉末的混合粉末作为起始原料；或选取氯化钽和氯化钛的混合物作为起始原料；或选取氯化钽、氯化钛、氯化铌、氯化锆和氯化铜的混合粉末作为起始原料；采用增材制造、粉末冶金、高温熔融或气相反应中的一种方式对起始原料加工，以获得质量百分数为钽15
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75％、铌0
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23％、锆0
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18％、铜0
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1％、氢≤0.01％、氧≤0.15％、碳≤0.1％、氮≤0.05％、铁≤0.2％、钨≤0.05％、钼≤0.03％、硅≤0.08％、镍≤0.03％，余量为钛的医用钽合金。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述增材制造包括挤出成型、粉末床激光熔融、粉末床电子束熔融、定向能量沉积、粉材激光熔覆、材料喷射或光致聚合中的一种；所述粉末冶金包括模板浸渍成型
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高温烧结、粘结剂成型
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高温烧结、干压成型/等静压成型
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高温烧结中的一种；所述高温熔融包括电子束熔融、等离子熔融、电弧熔融、感应熔融、电阻熔融、自耗电极熔融或非自耗电极熔融中的一种；所述气相反应包括氯化钽和氯化钛气相反应、钽和钛非氯化物气相反应中的一种。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在采用增材制造时，选取至少包括纯钽和纯钛粉末的混合粉末作为起始原料；或选取包括纯钽和纯钛粉末、纯铌粉末、纯锆粉末和纯铜粉末的混合粉末作为起始原料，起始原料的粉末纯度≥99.5％；起始原料还包括以下质量百分...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨景周，陈海深，张大琛，
申请(专利权)人：深圳大洲医学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：