一種超彈性低彈性模量鈦合金材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超彈性低彈性模量鈦合金材料及其制備方法和應(yīng)用，特別涉及一種超彈性低彈模T1-Nb-Zr-O合金材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]TiNi合金由于具有優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)和超彈性，在齒科、介入治療等醫(yī)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是Ni具有生物毒性，可引起神經(jīng)紊亂等癥狀。為了避免Ni的生物毒性，各國相繼開發(fā)無鎳生物醫(yī)用材料，以期替代TiNi合金。鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、生物相容性好、抗腐蝕性能優(yōu)異，以及冷成型性能好等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。大量研究表明，Nb、Ta、Zr、Mo、Sn等元素具有良好的生物相容性，因此，T1-Nb, T1-Mo, T1-Ta系等完全由生物安全元素組成的β鈦合金成為研究重點(diǎn)。
[0003]在T1-Nb 二元系合金中，當(dāng)Nb含量超過25&七％時(shí)，合金呈現(xiàn)超彈性，但是超彈性較低，這主要是由于合金的臨界滑移應(yīng)力低導(dǎo)致的，因此需要強(qiáng)化合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提出一種超彈性、低彈性模量、生物相容性好的乳制T1-Nb-Zr-O合金及其制備方法，該合金可以廣泛用于制作牙弓絲、支架等生物醫(yī)用材料。
[0005]—種低彈性模量高強(qiáng)鈦合金材料，具體為T1-Nb-Zr-O合金材料，該合金材料由銀、錯、氧和鈦組成，其原子百分比組成為銀18%，錯10?13%，氧0.5?1.5%，余量為鈦，并且上述各成分的含量之和為100%。
[0006]本發(fā)明將Zr添加到T1-Nb合金中，可以有效的降低合金的馬氏體相變溫度，提高合金的臨界滑移應(yīng)力。O作為間隙原子，對于提高T1-Nb合金的臨界滑移應(yīng)力也十分有效，但是O添加過量對于合金的塑性不利，因此本發(fā)明控制了 O的添加量。
[0007]經(jīng)過冷乳和退火處理后，本發(fā)明合金的室溫超彈性為2.5?4.5%，彈性模量為50?60GPa，延伸率為6?20 %。
[0008]本發(fā)明低彈性模量高強(qiáng)鈦合金材料的制備方法，包括如下工藝步驟:
[0009](I)采用鈦、鈮、鋯和二氧化鈦為原料，按照上述配比進(jìn)行配料，將稱取的原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)熔煉成T1-Nb-Zr-O合金鑄錠；
[0010](2)將制得的T1-Nb-Zr-O合金進(jìn)行固溶處理，水淬；
[0011](3)將固溶處理后的合金進(jìn)行冷乳，變形量彡75%，在空氣中進(jìn)行；
[0012](4)將冷乳板材進(jìn)行退火處理，空冷，獲得完全β相組織。
[0013]步驟(I)中，鈮優(yōu)選為鈦鈮中間合金Ti_45Nb等。
[0014]步驟(2)中，所述的固溶處理的溫度為800?880°C，時(shí)間為I?2小時(shí)。
[0015]步驟⑷中，所述的退火處理的溫度為500?600°C，時(shí)間為0.5?lh。
[0016]上述合金材料由于具有超彈性、低彈性模量及較好的生物相容性，可用作生物醫(yī)用材料，如用于制作牙弓絲、支架等。
[0017]本發(fā)明的超彈性低彈模T1-Nb-Zr-O合金，在保證鈦合金馬氏體相變點(diǎn)低于室溫的情況下，降低Nb、增加Zr和0，可降低熔煉難度，且組分都為無毒元素，對人體無害，可作為生物醫(yī)用材料。采用真空非自耗電弧爐熔煉加固溶處理、冷乳、短時(shí)退火處理，獲得的材料的室溫超彈性為2.5?4.5 %，彈性模量為50?60GPa，延伸率為6?20 %，適合于做支架、牙弓絲等生物醫(yī)用材料。
【附圖說明】
[0018]圖1是T1-18Nb-13Zr-0.50合金退火態(tài)X射線衍射圖譜。
[0019]圖2是T1-18Nb-13Zr-0.50合金退火態(tài)室溫拉伸加載卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面將結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0021]實(shí)施例1:制備T1-18Nb-10Zr-0.50合金材料
[0022](l)T1-18Nb-10Zr-0.50合金，原材料為O級海綿T1、火器級海綿Zr、Ti_45Nb中間合金、T12粉末，按照成分配比進(jìn)行配料，經(jīng)非自耗真空電弧爐熔煉，充分?jǐn)嚢瑁蹮挻螖?shù)為3 ?5 次，得到 T1-18Nb-10Zr-0.50 鑄錠；
[0023](2)將上述制得的T1-18Nb-10Zr-0.50合金進(jìn)行線切割，放入熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理溫度850°C下保溫I小時(shí)后，水淬。
[0024](3)將固溶處理后的合金進(jìn)行冷乳，變形量90%，在空氣中進(jìn)行；即可得到T1-18Nb-10Zr-0.50 板材；
[0025](4)將冷乳板材在600°C進(jìn)行0.5h退火處理，空冷，獲得完全β相組織。
[0026]材料性能:室溫超彈性2.5 %，彈性模量60GPa，延伸率18 %.
[0027]實(shí)施例2:制備T1-18Nb-10Zr-l.50合金材料
[0028](l)T1-18Nb-10Zr-l.50合金，原材料為O級海綿T1、火器級海綿Zr、Ti_45Nb中間合金、T12粉末，按照成分配比進(jìn)行配料，經(jīng)非自耗真空電弧爐熔煉，充分?jǐn)嚢?，熔煉次?shù)為3 ?5 次，得到 T1-18Nb-10Zr-l.50 鑄錠；
[0029](2)將上述制得的T1-18Nb-10Zr-l.50合金進(jìn)行線切割，放入熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理溫度850°C下保溫1.5小時(shí)后，水淬。
[0030](3)將固溶處理后的合金進(jìn)行冷乳，變形量80%，在空氣中進(jìn)行；即可得到T1-18Nb-10Zr-l.50 板材；
[0031](4)將冷乳板材在580°C進(jìn)行Ih退火處理，空冷，獲得完全β相組織。
[0032]材料性能:室溫超彈性3 %，彈性模量58GPa，延伸率10 %。
[0033]實(shí)施例3:制備T1-18Nb-13Zr-0.50合金材料
[0034](l)T1-18Nb-13Zr-0.50合金，原材料為O級海綿T1、火器級海綿Zr、Ti_45Nb中間合金、T12粉末，按照成分配比進(jìn)行配料，經(jīng)非自耗真空電弧爐熔煉，充分?jǐn)嚢瑁蹮挻螖?shù)為3 ?5 次，得到 T1-18Nb-13Zr-0.50 鑄錠；
[0035](2)將上述制得的T1-18Nb-13Zr-0.50合金進(jìn)行線切割，放入熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理溫度800°C下保溫1.5小時(shí)后，水淬。
[0036](3)將固溶處理后的合金進(jìn)行冷乳，變形量85%，在空氣中進(jìn)行；即可得到T1-18Nb-13Zr-0.50 板材；
[0037](4)將冷乳板材在500°C進(jìn)行0.5h退火處理，空冷，獲得完全β相組織。
[0038]材料性能:室溫超彈性3.3 %，彈性模量53GPa，延伸率20 %.
[0039]如圖1所示，為T1-18Nb-13Zr-0.50合金退火態(tài)X射線衍射圖譜，可以看到此時(shí)合金為完全β相組織。如圖2所示，為T1-18Nb-13Zr-0.50合金退火態(tài)室溫拉伸加載卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線。合金的超彈性為3.3%
[0040]實(shí)施例4:制備T1-18Nb-13Zr-l.50合金材料
[0041](l)T1-18Nb-13Zr-l.50合金，原材料為O級海綿T1、火器級海綿Zr、Ti_45Nb中間合金、T12粉末，按照成分配比進(jìn)行配料，經(jīng)非自耗真空電弧爐熔煉，充分?jǐn)嚢?，熔煉次?shù)為3 ?5 次，得到 T1-18Nb-13Zr-l.50 鑄錠；
[0042](2)將上述制得的T1-18Nb-13Zr-l.50合金進(jìn)行線切割，放入熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理溫度820°C下保溫2小時(shí)后，水淬。
[0043](3)將固溶處理后的合金進(jìn)行冷乳，變形量75%，在空氣中進(jìn)行；即可得到T1-18Nb-13Zr-l.50 板材；
[0044](4)將冷乳板材在530°C進(jìn)行Ih退火處理，空冷，獲得完全β相組織。
[0045]材料性能:室溫超彈性4%，彈性模量50GPa，延伸率6%.
[0046]實(shí)施例5:制備T1-18Nb-l IZr-1O合金材料
[0047](I)T1-18Nb-lIZr-1O合金，原材料為O級海綿T1、火器級海綿Zr、Ti_45Nb中間合金、T12粉末，按照成分配比進(jìn)行配料，經(jīng)非自耗真空電弧爐熔煉，充分?jǐn)嚢?，熔煉次?shù)為3 ?5 次，得到 T1-18Nb-l IZr-1O 鑄錠；
[0048](2)將上述制得的T1-18Nb-llZr-10合金進(jìn)行線切割，放入熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理溫度850°C下保溫I小時(shí)后，水淬。
[0049](3)將固溶處理后的合金進(jìn)行冷乳，變形量85%，在空氣中進(jìn)行；即可得到T1-18Nb-l IZr-1O 板材；
[0050](4)將冷乳板材在550°C進(jìn)行Ih退火處理，空冷，獲得完全β相組織。
[0051]材料性能:室溫超彈性4.5%，彈性模量55GPa，延伸率14%。
[0052]本發(fā)明的超彈性低模量T1-Nb-Zr-O合金材料，采用真空非自耗電弧爐熔煉成T1-Nb-Zr-O鑄錠，將鑄錠在800?880°C固溶處理，水淬；然后將鑄錠進(jìn)行冷乳，變形率大于75% ;將冷乳板材在500?600°C進(jìn)行0.5?Ih退火處理，空冷，獲得室溫超彈性為2.5?4.5%,彈性模量為50?60GPa，延伸率6?20%的超彈性低彈模鈦合金，該合金可以廣泛用于牙弓絲、支架及其他醫(yī)療器件。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低彈性模量高強(qiáng)鈦合金材料，其特征在于:該合金材料由鈮、鋯、氧和鈦組成，其原子百分比組成為鈮18%，鋯10?13%，氧0.5?1.5%，余量為鈦。2.如權(quán)利要求1所述的低彈性模量高強(qiáng)鈦合金材料的制備方法，包括如下步驟: (1)采用鈦、鈮、鋯和二氧化鈦為原料，按照配比進(jìn)行配料，將稱取的原料放入非自耗真空電弧爐內(nèi)熔煉成T1-Nb-Zr-O合金鑄錠； (2)將制得的T1-Nb-Zr-O合金進(jìn)行固溶處理，水淬； (3)將固溶處理后的合金進(jìn)行冷乳，變形量多75%，在空氣中進(jìn)行； (4)將冷乳板材進(jìn)行退火處理，空冷，獲得完全β相組織。3.如權(quán)利要求2所述的低彈性模量高強(qiáng)鈦合金材料的制備方法，其特征在于:所述的固溶處理的溫度為800?880°C，時(shí)間為I?2小時(shí)。4.如權(quán)利要求2所述的低彈性模量高強(qiáng)鈦合金材料的制備方法，其特征在于:所述的退火處理的溫度為500?600°C，時(shí)間為0.5?Ih。5.如權(quán)利要求2所述的低彈性模量高強(qiáng)鈦合金材料的制備方法，其特征在于:鈮為鈦鈮中間合金。6.如權(quán)利要求1所述的低彈性模量高強(qiáng)鈦合金材料在生物醫(yī)用材料中的應(yīng)用。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超彈性低彈性模量鈦合金材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。該合金材料由鈮、鋯、氧和鈦組成，其原子百分比組成為鈮18％，鋯10～13％，氧0.5～1.5％，余量為鈦。采用真空非自耗電弧爐熔煉加固溶處理、冷軋、短時(shí)退火處理，獲得的材料的室溫超彈性為2.5～4.5％，彈性模量為50～60GPa，延伸率為6～20％，適合于做支架、牙弓絲等生物醫(yī)用材料。
【IPC分類】A61L31/02, A61L27/06, C22C14/00, C22F1/18
【公開號】CN105714149
【申請?zhí)枴緾N201410736406
【發(fā)明人】宋曉云, 葉文君, 惠松驍, 于洋, 劉睿, 李成林
【申請人】北京有色金屬研究總院