一种低Ｎｂ含量的生物医用β－钛合金制造技术

一种低Ｎｂ含量的生物医用β－钛合金，属于新材料技术领域。其特征在于：它包括Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ和Ｓｎ元素，其合金成分的重量百分比为Ｔｉ－（４－１０％）Ｍｏ－（９－１９％）Ｎｂ－（１０－１９％）Ｚｒ－（１－７％）Ｓｎ。材料性能指标分别为：弹性模量Ｅ＝５８－７０ＧＰａ，屈服强度σ０．２＝５４０－７６０ＭＰａ，抗拉强度σｂ＝６３０－７８０ＭＰａ，伸长率ε＝６－１４％，断面收缩率Ψ＝３６－４８％。本发明专利技术的效果和益处是发展了低Ｎｂ含量的β－Ｔｉ合金，可降低材料成本；在保证合金具有较好塑性的同时，增加低弹性模量组元Ｚｒ和Ｓｎ的含量，降低了合金的弹性模量，同时提高了合金的强度；Ｔｉ－Ｍｏ－Ｎｂ－Ｚｒ－Ｓｎ合金组元都为无毒元素，是理想的生物医用材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新材料
，涉及一种具有低弹性模量和高强度、可生物医用的 低Nb含量的0 -钛合金材料。
技术介绍
与a-Ti、(a+0)-钛合金相比，0 _钛合金具有高的比强度、低的弹性模量、高 塑性、以及优良的耐蚀和耐磨性能。尤其合金中含有Zr、Mo、Nb、Ta和Sn等无毒元素时， 由于合金具有良好的生物相容性，从而使得其在生物医用材料领域得到了迅速发展。近 年来，美、日、德以及中国先后在多个体系中开发出了新型0 -钛合金，如Ti-13Nb-13Zr、 Ti-35Nb-5Ta-7Zr、Ti-25Nb-3Mo_5Zr、Ti-25Nb-3Mo-3Zr_2Sn 等。可以看出，这些添加的合 金化组元有二类，一类是强稳定BCC日-Ti固溶体结构的组元，如Mo、Nb、Ta等，这类组元的 添加可以使得合金易于获得BCC结构；另一类是中性组元，如Zr、Sn等，即不对合金结构起 决定性作用，但是这类组元通常都是低弹性模量的组元，添加后可降低合金的弹性模量。从合金材料性能角度而言，研究表明，Mo是最稳定0 -Ti的组元，Mo的添加能够更 易于合金形成BCC结构，但是由于Mo组元的弹性模量很高，从而会造成合金的高弹性模量； Nb稳定日-Ti的能力不如Mo，其弹性模量也Ti组元相近，且能够起到细化晶粒的作用，但 是过量Nb的添加会造成合金强度降低；添加Zr、Sn可降低合金的弹性模量，但由于固溶强 化效果明显，其过量的添加会急剧降低合金的塑性。在现有钛合金材料中，Nb的含量 通常为20-30wt. %，过量Nb的添加不会大幅度降低合金的弹性模量，但却降低材料强度， 同时增加材料成本。因此，最佳的合金化组元添加是在保证合金为单一 BCC日-Ti固溶体 结构和合金具有高强度、良好塑性的基础上(即保持Mo、Nb等组元含量的下限)，尽可能添 加低弹性模量组元(如&、Sn)以获得低弹性模量合金，以此降低0 -Ti固溶体合金中合金 化组元的含量，从而降低材料成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的在保证合金具有单一日-Ti结构且性能良 好的前提下，合金化组元Nb含量相对较高的不足，提供一种具有低弹性模量、高强度、塑性 较好、成本相对较低、不含毒性组元、低Nb含量的生物医用3 -钛合金材料。本专利技术采用的技术方案是一种低Nb含量的生物医用钛合金，其特征在于 它包括Ti、Mo、Nb、Zr和Sn元素，其合金成分的重量百分比为Ti_(4_10% )Mo-(9-19% ) Nb-(10-19% )Zr-(l-7% )Sn。实现上述技术方案的构思是利用我们的“团簇+连接原子”结构模型来设计 Ti-Mo-Nb-Zr-Sn合金成分。“团簇+连接原子”结构模型可将固溶体结构看作由团簇和连 接原子两部分构成，并能给出成分式(连接原子)x。在BCC日-Ti合金中，团簇取 以溶质原子为心，14个Ti原子占据第一壳层形成的CN14多面体团簇，同时溶质原子也为连 接原子。溶质占据团簇心部还是作为连接原子取决于溶质原子与Ti之间的交互作用，体现在混合焓大小，与Ti具有大的负混合焓溶质原子占据团簇心部，与Ti混合焓相对较小的作 为连接原子。因此，在Ti-Mo-Nb-Zr-Sn体系中，由于Mo、Sn与Ti具有大的负混合焓，定义 Mo、Sn占据团簇心部；Nb与Ti混合焓为正，定义Nb作为连接原子；&与Ti为同族组元，可 替代团簇壳层上的Ti。由此给定的团簇成分式为[(M^SnMTLaOjNbn，根据此成分式 设计合金成分，然后转化成重量百分比。设计的原则是主要利用Mo在保证合金为单一 BCC 3 -Ti固溶体，且保证合金具有良好的塑性基础上，增加&和Sn和降低Nb的含量来获得具 有低弹性模量和高强度的合金。本专利技术的成分合金采用高纯度组元元素按重量百分比合金成分进行配比；然后利 用非自耗电弧熔炼炉在Ar气保护下对配比的混合物进行多次熔炼，以得到成分均勻的合 金锭，然后利用铜模吸铸快冷工艺将合金锭制备成直径为6mm的合金棒，作为拉伸试验用 样品；利用XRD(Cu Ka辐射，人=0. 15406nm)检测合金结构；最后利用MTS万能拉伸试验 机测试BCC日-Ti合金样品的拉伸力学性能。由此确定出本专利技术中具有低弹性模量、高强 度、塑性较好的低Nb含量的钛合金成分，为Ti-(4-10% )Mo-(9-19% )Nb-(10-19% ) Zr-(l-7% )Sn (重量百分比)，其力学性能参数范围分别为弹性模量E = 58_70GPa，屈服 强度o Q 2 = 540-760MPa，抗拉强度o b = 630_780MPa，伸长率e = 6-14%，断面收缩率W =36-48%。本专利技术的效果和益处是①在保证0 -Ti合金具有较好塑性的同时，降低Nb的含 量，可相对降低材料成本；②增加低弹性模量组元&和Sn的含量，降低了合金的弹性模量， 同时提高了合金的强度；③Ti-Mo-Nb-Zr-Sn合金组元都为无毒元素，是理想的生物医用材 料。具体实施例方式以下结合技术方案详细叙述本专利技术的具体实施方式。实施例1 Ti^Zr^MouSr^Nb^ 合金步骤一合金制备Ti^a^^Mo^Sr^Nb^ 合金，此成分源自团簇式Nb10 Ti、 Zr、Mo、Sn和Nb纯金属按照给定的合金重量百分比成分进行配料；将混合料放在电弧熔炼 炉的水冷铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气的保护下进行熔炼，如此反复熔炼3次， 得到成分均勻的合金锭；然后将熔炼均勻的合金锭最后熔化，并利用铜模吸铸工艺将熔体 吸入圆柱形铜模型腔中，得到直径为6mm的棒材。步骤二 合金结构和性能测试利用XRD检测合金结构，确定为单一 BCC 0 -Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试 验机测试其力学性能参数，分别为:E = 58GPa, o 0 2 = 657MPa, o b = 759MPa, e = 7.7%, 屯=36%。实施例2 Ti60. iZr^.。Mo5.。Sn6.2Nb9.7 合金步骤一合金制备Tiia^^Mo^Sr^Nbu 合金，此成分源自团簇式Nb10 同实 施例一中的步骤一。步骤二 合金结构和性能测试利用XRD检测合金结构，确定为单一 BCC 0 -Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试 验机测试其力学性能参数，分别为:E = 61GPa, o 0 2 = 759MPa, o b = 779MPa, e = 6.2%, 卑=41. 2%。实施例3 Ti68.9Zr10.0Mo9.6SnL3Nb10.2 合金步骤一合金制备Ti68.9&1(1.QM09.6Sni.3Nbia2 合金，此成分源自团簇式Nb10 同实 施例一中的步骤一。步骤二 合金结构和性能测试利用XRD检测合金结构，确定为单一 BCC ^ -Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试 验机测试其力学性能参数，分别为:E = 70GPa, o 0 2 = 720MPa, o b = 783MPa, e = 12. 5%, 卑=47. 2%。实施例4 Tieo^Zr^^Mo^Sn^Nb!^ 合金步骤一合金制备Ti6Q.8&iaiM04.8Sn5.9Nb18.4 合金，此成分源自团簇式Nb20 同实 施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低Ｎｂ含量的生物医用β－钛合金，其特征在于：它包括Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ和Ｓｎ元素，其合金成分的重量百分比为Ｔｉ－（４－１０％）Ｍｏ－（９－１９％）Ｎｂ－（１０－１９％）Ｚｒ－（１－７％）Ｓｎ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王清，董闯，马仁涛，王英敏，羌建兵，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]