一种析出强化型高性能医用多主元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析出强化型高性能医用多主元合金及其制备方法和应用，本发明专利技术要解决现有生物医用金属材料存在弹性模量高、耐磨损性差和含潜在毒性元素的问题。本发明专利技术所涉及的医用型多主元合金由Ti、Zr、Nb、Ta或Mo这几种高生物相容元素组成，不含任何潜在毒性元素。本发明专利技术通过成分、塑性变形以及热处理协同调控，制备出晶格畸变与纳米析出相协同强化新型医用多主元合金。该合金具有高强度和高耐磨性能，可用于人工关节假体以及牙种植体材料领域。该合金制备方法简单，易行，具有广阔的应用前景。前景。前景。

【技术实现步骤摘要】
一种析出强化型高性能医用多主元合金及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及合金材料及其制备领域，具体涉及一种析出强化型高性能医用多主元合金及其制备方法和应用。

技术介绍

[0003]人工关节在股骨头或股骨髁端存在生物摩擦界面，在剧烈运动承力和体内复杂生理环境的双重作用影响下，材料在这个表界面的生物摩擦学性能的优劣将是影响人工关节使役功能长效性的重点和关键因素。在对失效后的钴铬钼、316L锈钢和钛合金(Ti6Al4V)三种股骨头种植体(高分子聚乙烯髋臼杯)回收研究发现，钛合金股骨头磨损量最大，平均为74.3％。目前摩擦学性能最优的医用金属材料是钴铬钼合金，然而其在长期使用过程中所释放的Co、Cr等金属离子具有非常高的生物毒性，会造成全身的中毒反应，甚至引发癌症。医用钛合金虽在生物相容性以及生物力学相容性等方面较其他金属长效骨植入材料具有极为显著的优势，但其摩擦学性能的不足严重制约其在人工关节中的广泛应用。为提高医用钛合金的摩擦学性能，已有研究大多是采用表面改性的方法，使原有的钛合金表面硬度提高或摩擦系数降低。然而，任何一种表面改性手段的应用均会引发新的界面问题，并且提高生产难度和成本。因此，亟需开发具有优异的综合力学性能、生物相容性以及生物摩擦学性能的新型医用金属材料。
[0004]多主元(中、高熵)合金是本世纪涌现出的一种新型金属材料。不同于传统合金设计以1～2种元素为主添加其它元素为辅的方案，多主元合金由4种及以上元素以主元的形式(含量不低于5at.％)构成，具有独特的多组元固溶体结构。多主元合金领域在不足二十年的发展历史中成果斐然，相关研究曾多次被《Nature》、《Science》等权威期刊报道，解决了诸多材料性能方面的瓶颈问题。鉴于多主元合金在开发高性能新型材料方面的诱人前景，越来越多的科学家将目光转向了医用多主元合金的研究。然而，目前所报道的医用型多主元合金在室温下塑性普遍较差且模量较高。此外，该些医用多主元合金主要为铸态，关于其组织调控工艺的研究较为缺乏。综上所述，开发一种新型生物医用多主元合金，使之具备优异的性能，将极大地拓展多主元合金在生物医用材料领域的应用前景，并对生物医用材料的开发提供更大的空间。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种析出强化型高性能医用多主元合金，利用多主元合金的强晶格畸变效应和共格纳米析出相的协同强化作用，该合金具有良好的生物相容性且在一定的工艺调控下可获得高强度、低弹性模量以及高耐磨性能；本专利技术的目的之二在于提供一种析出强化型高性能医用多主元合金的应用，该合金应用于生物医用材料；本专利技术的目的之三提供一种析出强化型高性能医用多主元合金的制备方法，该方法可在医用多主元合金中原位生成共格的纳米析出相，在提高合金强度、耐磨性能的同时不会明显降低合金的塑性以及增加弹性模量。
[0006]本专利技术的目的之一采用如下技术方案实现：
[0007]一种析出强化型高性能医用多主元合金，包括按原子百分含量计的化学成分：Ti 35～45at.％、Zr 35～45at.％、Nb 10～20at.％和Ta 5～15at.％。
[0008]进一步，析出强化型高性能医用多主元合金，包括按原子百分含量计的化学成分：Ti 35～45at.％、Zr 35～45at.％、Nb 10～20at.％、Ta 5～15at.％和Mo 0.1～6at.％。
[0009]本专利技术的目的之二采用如下技术方案实现：
[0010]上述的析出强化型高性能医用多主元合金的应用，所述析出强化型高性能医用多主元合金应用于生物医用材料。
[0011]本专利技术的目的之三采用如下技术方案实现：
[0012]上述的析出强化型高性能医用多主元合金的制备方法，包括以下步骤：
[0013]1)先将析出强化型高性能医用多主元合金中对应的纯金属按比例进行熔炼，得到棒状的合金铸锭；合金铸锭组织为单相等轴晶组织，无纳米析出相；
[0014]2)将合金铸锭进行塑性变形处理；
[0015]3)对塑性变形后的合金铸锭进行退火，然后取出水淬至常温，得到析出强化型高性能医用多主元合金。
[0016]进一步，步骤1)中，所述熔炼为电弧熔炼法、感应熔炼、真空悬浮熔炼中的一种。
[0017]再进一步，步骤1)中，所述电弧熔炼法在纯度≥99.999％的Ar气环境下进行。
[0018]进一步，步骤2)中，所述塑性变形处理为轧制、锻造、挤压和高压扭转中的一种。
[0019]进一步，步骤2)中，合金铸锭塑性变形的变形量不低于60％，每次下变形量不超过原始铸锭尺寸的5％。
[0020]进一步，步骤2)中，所述塑性变性处理的温度为20～40℃。
[0021]进一步，步骤3)中，退火的温度为合金熔点的0.35～0.45，然后进行保温0.5～2h。
[0022]相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：
[0023](1)本专利技术的析出强化型高性能医用多主元合金的元素组成为Ti、Zr、Nb和Ta，上述元素之间存在溶混间隙以及高剪切模量差、原子尺寸差，可引发高晶格畸变的合金成分组合，使得基体合金成分具有高强度以及高耐磨性能。进一步，利用Nb、Ta元素与Ti、Zr元素之间存在溶混间隙以及高熔点元素具有较低扩散速率原理，使得合金在塑性变形与热处理工艺作用下可析出纳米尺度共格二次相。第二相粒子成分与基体接近且能够与基体合金协调变形，在显著提高材料的强度、耐磨性能的同时不会明显提高弹性模量以及降低合金塑性。
[0024](2)本专利技术的合金的元素组成除了Ti、Zr、Nb和Ta，还可以包括Mo，其中Mo元素具有强晶格畸变效应，在医用多主元合金体系中添加该元素可显著提高合金的基础强度以及耐磨性能，但会一定程度上提高合金弹性模量。
[0025](3)本专利技术析出强化型高性能医用多主元合金的解决现有生物医用金属材料存在弹性模量高、耐磨损性差和含潜在毒性元素的问题。本专利技术通过成分、塑性变形以及热处理协同调控，制备出晶格畸变与纳米析出相协同强化新型医用多主元合金，在室温下拉伸屈服强度可达到1GPa以上，拉伸塑性超过18％，弹性模量小于85GPa，耐磨性能最高为传统医用钛合金TC4的7倍以上，可用于人工关节假体以及牙种植体材料领域。
[0026](4)本专利技术的医用多主元合金的制备方法，包括以下步骤：先将单质金属进行熔
炼，再进行塑性变形，然后进行退火，得到医用多主元合金。该合金在铸态下为单相BCC结构，塑性变形和退火后形成微米尺度BCC1相和纳米尺度BCC2相。该制备方法简单，易行，具有广阔的应用前景。以上述制备方法得到的医用多主元合金的拉伸屈服强度介于800～1150MPa之间，断裂应变介于10～25％之间，而弹性模量介于66～86GPa之间。
附图说明
[0027]图1是本专利技术中实施例1产品的相图模拟结果。
[0028]图2是本专利技术中实施例1产品的铸态显微组织图片。
[0029]图3是本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种析出强化型高性能医用多主元合金，其特征在于，包括按原子百分含量计的化学成分：Ti35～45at.％、Zr35～45at.％、Nb10～20at.％和Ta5～15at.％。2.如权利要求1所述的析出强化型高性能医用多主元合金，其特征在于，包括按原子百分含量计的化学成分：Ti35～45at.％、Zr35～45at.％、Nb10～20at.％、Ta5～15at.％和Mo0.1～6at.％。3.权利要求1或2所述的析出强化型高性能医用多主元合金的应用，其特征在于，所述析出强化型高性能医用多主元合金应用于生物医用材料。4.权利要求1或2所述的析出强化型高性能医用多主元合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)先将析出强化型高性能医用多主元合金中对应的纯金属按比例进行熔炼，得到合金铸锭；2)将合金铸锭进行塑性变形处理；3)对塑性变形后的合金铸锭进行退火，得到析出强化型高性能医用多主元合金。5.如权利要求4所述的析出强化型高性能医用多主...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖伟基，王小健，孙国栋，李志忠，
申请(专利权)人：河源市深河人民医院暨南大学附属第五医院，
类型：发明
国别省市：