本發(fā)明涉及激光增材制造，具體涉及一種低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、基于增材制造個(gè)性化和精準(zhǔn)定制化優(yōu)勢(shì)，金屬植入物醫(yī)療應(yīng)用得到了快速發(fā)展。國(guó)家藥監(jiān)局和衛(wèi)健委聯(lián)合發(fā)布的《定制式醫(yī)療器械監(jiān)督管理規(guī)定》明確把增材制造醫(yī)療器械列入臨床診療正式手段。ti6al4v合金具有耐蝕性好，高比強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)成為增材制造承力骨植入物廣泛應(yīng)用的金屬材料，然而其彈性模量（約110?gpa）明顯高于人體骨模量（最高僅30?gpa），植入人體后會(huì)承擔(dān)主要應(yīng)力形成“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)，使其臨近骨質(zhì)被吸收而導(dǎo)致植入物松動(dòng)失效。此外，ti6al4v所含al、v元素在人體環(huán)境有溶出風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)等造成毒害：al元素積蓄可導(dǎo)致阿爾茲海默癥等疾病，v元素積蓄可誘發(fā)免疫毒性。因此，亟需開(kāi)發(fā)低模兼具高強(qiáng)度的生物鈦合金以保障承力骨植入物長(zhǎng)期安全服役。

2、近年來(lái)，亞穩(wěn)β生物鈦合金因生物無(wú)毒且模量能與人體骨較好匹配成為新一代金屬植入物優(yōu)選材料。研究指出，植入物強(qiáng)度是決定其疲勞壽命的關(guān)鍵，在體內(nèi)長(zhǎng)期復(fù)雜應(yīng)力作用下植入物因強(qiáng)度不足易發(fā)生斷裂，研制低模、高強(qiáng)度亞穩(wěn)β生物鈦合金成為目前承力骨植入物材料研究的新突破點(diǎn)。文獻(xiàn)“mitsuo?niinomi,fatigue?performance?and?cyto-toxicity?of?low?rigidity?titanium?alloy,?ti-29nb-13ta-4.6zr,biomaterials,2003,24(16):2673-2683.”報(bào)道了ti-29nb-13ta-4.6zr合金的彈性模量為65gpa，但屈服強(qiáng)度只有600mpa，抗拉強(qiáng)度僅有650mpa，遠(yuǎn)低于ti6al4v合金的強(qiáng)度。公告號(hào)為cn?200410092858.1的專利“一種超彈性低模量鈦合金及制備和加工方法”，通過(guò)添加nb等金屬，穩(wěn)定β相，降低彈性模量，合金通過(guò)復(fù)雜的鍛軋等工藝提升強(qiáng)度，但并不適用于骨骼植入物的定制化特征和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的近凈成形。目前大多合金添加nb、ta等價(jià)格較為昂貴的金屬，且在合金設(shè)計(jì)階段多采用試錯(cuò)法，多個(gè)成分制樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。而通過(guò)激光增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)梯度合金制備，同時(shí)原位調(diào)控β基體，可以實(shí)現(xiàn)亞穩(wěn)β生物鈦合金模量、強(qiáng)度的協(xié)同調(diào)控，篩選出適合增材制造的低模高強(qiáng)鈦合金，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)骨骼植入物的個(gè)性化定制和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的近凈成形，為金屬植入物的功能提升和結(jié)構(gòu)一體化提供重要支撐。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述背景技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明主要解決植入物在服役過(guò)程中產(chǎn)生的“應(yīng)力屏蔽效應(yīng)”和強(qiáng)度不足的問(wèn)題。本發(fā)明提供一種低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明通過(guò)結(jié)合高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)和定向能量沉積技術(shù)探尋了一種激光增材制造專用低模高強(qiáng)鈦合金成分。通過(guò)多路同軸送粉的方式原位制備ti-zr-mo成分梯度合金，以硬度表征合金梯度力學(xué)性能變化，選取硬度曲線低值點(diǎn)作為成分點(diǎn)，得到具有低模高強(qiáng)性能的亞穩(wěn)β鈦合金。

2、本發(fā)明第一個(gè)目的是提供一種低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金，由以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的成分組成：mo?10.5%~12%，zr?20%~25%，余量為ti。

3、優(yōu)選地，所述低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金的彈性模量為59.9~74.2gpa。

4、優(yōu)選地，所述低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金的屈服強(qiáng)度為800~880mpa，抗拉強(qiáng)度為840~950mpa，延伸率為13%~20%。

5、優(yōu)選地，所述低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金的沉積態(tài)和固溶淬火態(tài)合金組織為β相。

6、本發(fā)明第二個(gè)目的是提供一種低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金的制備方法，包括以下步驟：

7、將ti粉、zr粉、mo粉按照比例進(jìn)行混合，得到混合粉末；或者制備tizrmo成分預(yù)合金粉末；

8、將混合粉末或者預(yù)合金粉末進(jìn)行真空干燥處理后，通過(guò)激光定向能量沉積法或激光粉末床熔融法在純鈦基板上成形樣品，成形后進(jìn)行固溶淬火處理，獲得低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金。

9、優(yōu)選地，將ti粉、zr粉、mo粉按照比例進(jìn)行混合時(shí)，包括：

10、將ti粉、zr粉、mo粉按照比例稱重后裝入瑪瑙球磨罐，放入行星球磨機(jī)中進(jìn)行混粉，參數(shù)設(shè)置為頻率25hz，時(shí)間120分鐘。

11、優(yōu)選地，通過(guò)激光定向能量沉積法進(jìn)行沉積粉末時(shí)，其工藝參數(shù)包括：

12、激光光斑直徑為5mm，激光功率為3400~3800w，激光束掃描速度為8?~10?mm/s，搭接率為50%，送粉速率為10~15g/min，送氣流量為4~5?l/min，噴嘴每層抬升高度為0.6~0.8mm；

13、其中，通過(guò)激光定向能量沉積法時(shí)，所述混合粉末中的ti粉、zr粉、mo粉的粒徑或者預(yù)合金粉末的粒徑均為75~150μm。

14、優(yōu)選地，固溶淬火處理時(shí)，固溶溫度為750~850℃，固溶時(shí)間為40~120min。

15、優(yōu)選地，通過(guò)激光粉末床熔融法制備高強(qiáng)鈦合金工件的工藝參數(shù)為：

16、激光光斑直徑為60?μm，激光功率為200~240w，激光掃描速度為1000?~1500?mm/s，層厚為30~45?μm，掃描線距為80~100?μm；

17、其中，通過(guò)激光粉末床熔融法時(shí)，混合粉末中的ti粉、zr粉、mo粉或者預(yù)合金粉末的粒徑均為15~53μm。

18、本發(fā)明三個(gè)目的是提供一種低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金在生物醫(yī)療、航空航天、汽車制造或機(jī)械制造中的應(yīng)用。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

20、本發(fā)明提供了一種低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明提供的鈦合金不添加昂貴的nb、ta等合金元素，同時(shí)不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的鍛壓、熱軋等工藝措施，通過(guò)增材制造和后熱處理可直接完成近凈成形，使得最終成形鈦合金的微觀組織主要為β相，最終在激光定向能量沉積成形及固溶淬火后可直接獲得59.9~74.2gpa的彈性模量，800~880mpa的屈服強(qiáng)度，840~950mpa的抗拉強(qiáng)度以及13%~20%較高的延伸率，其力學(xué)性能可以滿足生物醫(yī)學(xué)上對(duì)植入物的需求，能夠有效減少“應(yīng)力屏蔽效應(yīng)”的發(fā)生及提供足夠的強(qiáng)度支撐。本發(fā)明成果在生物醫(yī)療領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，可顯著提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

21、本發(fā)明提供的一種低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金成分和工藝的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)結(jié)合高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)和定向能量沉積技術(shù)探尋了一種激光增材制造專用低模高強(qiáng)鈦合金成分。通過(guò)多路同軸送粉的方式原位制備ti-zr-mo成分梯度合金，以硬度表征合金梯度力學(xué)性能變化，選取硬度曲線低值點(diǎn)作為成分點(diǎn)，得到具有低模高強(qiáng)性能的亞穩(wěn)β鈦合金。

技術(shù)特征：

1.一種低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金，其特征在于，由以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的成分組成：mo?10.5%~12%，zr?20%~25%，余量為ti。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金，其特征在于，所述低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金的彈性模量為59.9~74.2gpa。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金，其特征在于，所述低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金的屈服強(qiáng)度為800~880mpa，抗拉強(qiáng)度為840~950mpa，延伸率為13%~20%。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金，其特征在于，所述低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金的沉積態(tài)和固溶淬火態(tài)合金組織為β相。

5.一種權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金的制備方法，其特征在于，將ti粉、zr粉、mo粉按照比例進(jìn)行混合時(shí)，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金的制備方法，其特征在于，通過(guò)激光定向能量沉積法進(jìn)行沉積粉末時(shí)，其工藝參數(shù)包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金的制備方法，其特征在于，固溶淬火處理時(shí)，固溶溫度為750~850℃，固溶時(shí)間為40~120min。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金的制備方法，其特征在于，通過(guò)激光粉末床熔融法制備高強(qiáng)鈦合金工件的工藝參數(shù)為：

10.一種權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金在生物醫(yī)療、航空航天、汽車制造或機(jī)械制造中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種低模高強(qiáng)亞穩(wěn)β鈦合金及其制備方法和應(yīng)用，涉及激光增材制造技術(shù)領(lǐng)域。所述鈦合金由以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的成分組成：Mo?10.5%~12%，Zr?20%~25%，余量為T(mén)i。本發(fā)明提供的鈦合金不添加Nb、Ta等昂貴合金元素，并通過(guò)增材制造和后熱處理，使得最終成形鈦合金的微觀組織為β相，最終可獲得59.9~74.2GPa的彈性模量，800~880MPa的屈服強(qiáng)度，840~950MPa的抗拉強(qiáng)度以及13%~20%的延伸率，其力學(xué)性能可以滿足生物醫(yī)學(xué)上對(duì)植入物的需求，能夠有效減少“應(yīng)力屏蔽效應(yīng)”的發(fā)生及提供足夠的強(qiáng)度支撐。本發(fā)明成果在生物醫(yī)療領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，可顯著提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

技術(shù)研發(fā)人員：于君,王林增,林鑫,黃衛(wèi)東
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6