專利名稱：亞穩(wěn)β型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)療器件技術(shù)領(lǐng)域的鈦合金其制備方法，具體地說，是一種 亞穩(wěn)e型Ti-Nb-Ta-Zr-0合金及其制備方法。
技術(shù)背景鈦合金由于具有較高的強度、較低的彈性模量、良好的生物相容性以及優(yōu)良 的耐腐蝕性能，已經(jīng)逐漸取代不銹鋼和鈷基合金成為骨骼和牙齒等硬組織的替代 材料。目前臨床上應(yīng)用最為廣泛的鈦合金是a+p型Ti-6Al-4V，但該合金在植入 人體一定時間以后由于磨損和腐蝕會釋放出具有細(xì)胞毒性和神經(jīng)毒性的Al離子， 引起骨軟化、貧血和神經(jīng)紊亂等癥狀，此外V也被認(rèn)為是對生物體有毒的元素； 而且該合金的彈性模量在115 GPa左右，仍大大高于人骨的彈性模量(小于40 GPa)。因此，從九十年代開始各國科學(xué)家致力于研發(fā)生物相容性更好、彈性模量 更低的e鈦合金，而Nb、 Ta、 Zr、 Sn和Mo等無毒元素逐漸成為合金的主要添加 元素。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，國外和國內(nèi)已有多個有關(guān)具有低彈性模量和 超彈性特性的生物醫(yī)用鈦合金的專利申請，主要是Ti-Nb-Zr和Ti-Nb-Ta系鈦合 金系列，其主要代表性專利包括美國專利(4857269、 5545227、 5573401和 5169597);以及國內(nèi)發(fā)明專利(申請?zhí)?00410020501.2、 200410092858.1、 200510042894.1、 200610011076. X和200710036677. 0)。這些(3型鈦合金當(dāng)中典型 的合金為美國在九十年代后期開發(fā)出的Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金，Ahmed等人在 "Titanium 95， Science and Technology (鈦95:禾斗學(xué)與工禾呈)，，，1996: 1760—1767上發(fā)表了 "A new low modulus biocompatible titanium alloy (——禾中 新型低模量生物相容鈦合金)"，該文首次報道一種應(yīng)用真空電弧爐熔煉并經(jīng)后 續(xù)固溶處理的新型P鈦合金Ti-35Nb-5Ta-7Zr。Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金與Ti-6A1-4V 合金相比，雖然具有更低的彈性模量(55GPa)和優(yōu)良的生物相容性，但其拉伸強 度卻很低，僅為590MPa，因此Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用受到了一定的限制。其次，這些P型鈦合金的超彈性的獲得一般是通過應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變 所產(chǎn)生的偽彈性，并不是真實的彈性變形，因此合金的使用溫度強烈限制于合金 的馬氏體轉(zhuǎn)變以及馬氏體逆轉(zhuǎn)變溫度。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種亞穩(wěn)e型Ti-Nb-Ta-Zr-0 合金及其制備方法。本發(fā)明合金具有超彈性(真實彈性變形)、低模量、高強度、 無生物毒性、耐腐蝕、生物相容性好且易加工成型，該合金可廣泛應(yīng)用于生物植 入體以及其它醫(yī)療器件。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明所涉及的亞穩(wěn)0型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金，包含的組分及其重量百分比 含量為35-3謂b， 0-3%Ta， 2_4%Zr， 0. 2-0. 8%0，余量為Ti。所述亞穩(wěn)e型Ti-Nb-Ta-Zr-0合金中，Nb和Ta的總重量百分比含量在 38%_41%之間，Ta和Zr的總重量百分比含量在3%-7%之間。本發(fā)明上述(3型鈦合金成分設(shè)計的主要原則為1)選擇合金體系成分所對應(yīng) 的合金價電子濃度e/a控制在4.10-4.25范圍，從晶體的彈性穩(wěn)定性分析，該合 金成分處于(3相向oc六方結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)變臨界點(3相區(qū)，其彈性模量為最低；2)合金元 素的選擇應(yīng)使P相有足夠的穩(wěn)定性，在合金的加工和使用過程中避免合金中有高彈 性模量的(o以及a〃等亞穩(wěn)相析出，使合金彈性模量提高；3)采用鈮、鉭和鋯等無 生物毒性金屬元素；4)合金中含有一定量的無毒間隙元素氧。本發(fā)明所涉及的Ti-Nb-Ta-Zr-0合金的制備方法，包括以下步驟1) 采用真空自耗電弧爐熔煉方法獲得成分均勻的Ti-Nb-Ta-Zr-0合金；2) 熔煉獲得的Ti-Nb-Ta-Zr-0合金鑄錠，在800tO -IOOO[O溫度范圍進行熱 加工處理；3) 經(jīng)上述處理的Ti-Nb-Ta-Zr-0合金在1000
進行變形量為60%的熱軋成型，然后經(jīng)IOOO H， 2h真空固溶處理后鹽水冷卻，最后在室溫下進行程度為90%的冷旋鍛成線材，制 成本發(fā)明的合金。該合金的電子濃度為4.24，處于圖l所示相轉(zhuǎn)變臨界點附近的 (3相區(qū)，具有低的彈性模量；圖2是該合金的光學(xué)顯微組織，為典型的渦旋組織。X射線衍射結(jié)果表明固溶合金在冷變形過程中保持相穩(wěn)定，沒有應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相 變發(fā)生，如圖3所示。圖4為本發(fā)明合金的納米壓痕測試曲線。結(jié)果表明隨著變 形程度的增加，合金的彈性模量逐漸減小，彈性回復(fù)率逐漸增加。在所有的樣品 中，變形量為90%的樣品具有最低的彈性模量(40GPa)和最大的彈性回復(fù)率。在 Ringer溶液中體溫條件下的動電位極化曲線測試結(jié)果表明，固溶態(tài)及冷變形態(tài)合 金均具有遠(yuǎn)優(yōu)于Ti-6Al-4V的腐蝕性能，見圖5。測得的室溫拉伸性能為Rm=870 MPa ， RP。.2=1200 Mpa， Ae=2. 4%， A=15 %， E=40 Gpa。 實施例5以海綿鈦、鈦鈮中間合金、鉭鋯中間合金、鋯塊和鈦白粉為原料配制合金， 各組分的設(shè)計質(zhì)量分別為鈦(Ti) 11.8千克，鈮(Nb) 7千克，鉭(Ta) 0. 6千克， 鋯(Zr) 0.4千克，鈦白粉(Ti02)0.2千克。將原料壓制成電極后采用真空自耗電弧 爐熔煉；合金鑄錠在800 tO進行變形量為90%的熱拔成型，然后經(jīng)IOOO H， 2 h 真空固溶處理后鹽水冷卻，最后在室溫下進行變形量為70%的冷軋成板材，制成本 發(fā)明的合金。測得的室溫拉伸性能為Rm=900 MPa ， RP。.2=1170 MPa &=2%， A=14 %， E=44 Gpa。實施例6以海綿鈦、鈦鈮中間合金、鉭鋯中間合金、鋯塊和鈦白粉為原料配制合金， 各組分的設(shè)計質(zhì)量分別為鈦(Ti)11.44千克，鈮(Nb)7千克，鉭(Ta)0.6千克， 鋯(Zr) 0.4千克，鈦白粉(Ti02)0.8千克。將原料壓制成電極后采用真空自耗電弧 爐熔煉；合金鑄錠在900 [0進行變形量為75%的熱拔成型，然后經(jīng)IIOO [0， lh 真空固溶處理后水冷卻，最后在室溫下進行變形量為50%的冷拔成線材，制成本發(fā) 明的合金。測得的室溫拉伸性能為Rm=920 MPa ， Rp。.2=1230 Mpa， Ae=l. 9%， A=12 %， E=48 Gpa。
權(quán)利要求
1.一種亞穩(wěn)β型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金，其特征在于包含的組分及其重量百分比含量為35％-38％Nb，0％-3％Ta，2％-4％Zr，0.2-0.8％O，余量為Ti。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的亞穩(wěn)0型Ti-Nb-Ta-Zr-0合金，其特征是所述 Nb和Ta的總重量百分比含量在38%_41%之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的亞穩(wěn)e型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金，其特征是所述 Ta和Zr的總重量百分比含量在3%-7%之間。
4. 一種如權(quán)利要求1所述的亞穩(wěn)e型Ti-Nb-Ta-Zr-0合金的制備方法，其 特征在于包括以下步驟1) 釆用真空自耗電弧爐熔煉方法獲得成分均勻的Ti-Nb-Ta-Zr-0合金；2) 熔煉獲得的Ti-Nb-Ta-Zr-0合金鑄錠，在800ID -1000ID溫度范圍進行 熱加工處理；3) 經(jīng)上述處理的Ti-Nb-Ta-Zr-O合金在1000H -1200[a溫度范圍經(jīng)固溶淬 火處理后冷卻，以獲得單相I3組織；4) 在室溫下對固溶態(tài)Ti-Nb-Ta-Zr-O合金進行冷加工處理，獲得各種合金 棒材和板材。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞穩(wěn)0型Ti-Nb-Ta-Zr-0合金的制備方法，其特 征是，步驟l)中，所述Nb以鈦鈮中間合金的形式加入，Ta以鉭鋯中間合金的 形式加入。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞穩(wěn)e型Ti-Nb-Ta-Zr-0合金的制備方法，其特 征是，步驟l)中，所述Ti、 Nb、 Ta、 Zr、 0按照配比配料后壓制成電極，在真 空自耗電弧爐中采用分級真空熔煉以獲得成分均勻的Ti-Nb-Ta-Zr-O合金。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞穩(wěn)e型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金的制備方法，其特 征是，步驟2)中，所述熱加工處理，其變形量為60%-90%，在真空中進行。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞穩(wěn)0型Ti-Nb-Ta-Zr-0合金的制備方法，其特 征是，步驟3)中，所述固溶淬火處理，其時間為0.5小時-2小時。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞穩(wěn)0型Ti-Nb-Ta-Zr-0合金的制備方法，其特征是，步驟3)中，所述冷卻，其方式為水冷或鹽水冷。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的亞穩(wěn)e型Ti-Nb-Ta-Zr-0合金的制備方法，其特 征是，步驟4)中，所述冷加工處理，其變形量為50%-90%。
全文摘要
一種生物醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域的亞穩(wěn)β型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金及其制備方法。所述合金組分為35-38wt％Nb，0-3wt％Ta，2-4wt％Zr，0.2-0.8wt％O，余量為Ti。方法為1)采用真空自耗電弧爐熔煉方法獲得成分均勻的Ti-Nb-Ta-Zr-O合金；2)將Ti-Nb-Ta-Zr-O合金鑄錠，在800℃-1000℃溫度范圍進行熱加工處理；3)經(jīng)上述處理的Ti-Nb-Ta-Zr-O合金在1000℃-1200℃溫度范圍經(jīng)固溶淬火處理后冷卻，以獲得單相β組織；4)在室溫下對固溶態(tài)Ti-Nb-Ta-Zr-O合金進行冷加工處理，獲得各種合金棒材和板材。本發(fā)明合金具有超彈性、低模量、高強度、無生物毒性、耐腐蝕、生物相容性好且易加工成型，該合金可廣泛應(yīng)用于生物植入體以及其它醫(yī)療器件。
文檔編號C22C14/00GK101215655SQ20081003246
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月10日
發(fā)明者強 姚, 堅 孫, 輝 邢, 郭文淵 申請人:上海交通大學(xué)