銀-碳化鈦-硼化鈦晶須增韌高強度鈦合金抗菌醫(yī)用材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于抗菌牙齒材料領域，特別是一種銀?碳化鈦?硼化鈦晶須增韌高強度鈦合金抗菌醫(yī)用材料。本發(fā)明材料由高強度鈦合金基體材料粉末和銀?碳化鈦?硼化鈦晶須粉末組成，然后混合粉末冷壓實后在真空條件下燒結1?10小時，熱壓錠1250?1300℃通過模具通道拐角為100o的等通道彎角擠壓（ECAP）變形4次獲得。材料的抗菌性、室溫力學性能和耐磨性能顯著提高，尤其適合于口腔醫(yī)學材料、航空航天關鍵零部件等方面的應用，還可應用于要求高強度和高耐磨性的零部件，如應用于人體的骨骼支撐件。
【專利說明】
銀-碳化鈦-硼化鈦晶須増韌高強度鈦合金抗菌醫(yī)用材料
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于抗菌牙齒材料領域，特別是一種銀-碳化鈦-硼化鈦晶須增韌高強度鈦合金抗菌醫(yī)用材料。
【背景技術】
[0002]目前，鈦合金的應用非常廣泛，其中鈦合金材料在口腔醫(yī)學材料方面需求量很大，鈦合金材料由于不含有毒元素，具有良好的抗氧化性、耐腐蝕性和可加工性目前在口腔醫(yī)學牙齒材料方面得到了很好的應用。目前我國現(xiàn)有的鈦合金材料在專利CN103589909A中，采用T1-Zr-Cu-M-Ag合金為基體材料，雖然該含銀的牙科用鈦合金材料具有較好的硬度、抗壓強度和生物相容性，但是對于鈦合金牙齒材料，要求合金要有高的強度、良好的韌性、高的耐磨性;同時要求合金有很好的組織穩(wěn)定性;同時在口腔中使用，要求合金要有很好的抗氧化性、耐腐蝕性。但是，目前鈦合金牙齒材料的使用壽命一般為15年，而大多數(shù)患者的要求為終生使用，因此鈦合金抗菌牙齒材料需要更高的強度、良好的韌性和硬度，從而能達到更高的疲勞壽命和耐磨性，同時要求新型的合金牙齒材料具有一定的抗菌性。
[0003]基于上述目的，銀金屬具有廣譜抗菌屬性，采用在鈦合金中添加無毒、無污染的銀-碳化鈦-硼化鈦晶須來增韌、增強鈦合金抗菌醫(yī)用材料。本發(fā)明鈦合金基體材料的化學成分為= T1-Nd-Mn-Zr合金，合金成分包括鈦、釹、鋯、錳、鋯等元素，重量百分比為Nd:1?4%,Μη:0?0.8%，Zr:0.3?0.8 %，其余為鈦元素。用來增強的銀-碳化鈦-硼化鈦晶須主要由Ag、TiC和TiB2晶須混合粉末組成，其中Ag具有廣譜抗菌屬性，Ag晶須可以在合金中以晶須的形式更為均勻和廣泛的分布;TiC晶須具有硬度高，化學性質穩(wěn)定(不溶于水，溶于硝酸)的優(yōu)點，被用于制造金屬陶瓷，耐熱合金和硬質合金;碳化硅粒子具有硬度高，化學性能穩(wěn)定、導熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好;TiB2晶須屬于高強高硬粒子，熔點很高，并且與Ti合金熱膨脹系數(shù)接近，相容性較好;通過鈦合金基體材料粉末和銀-碳化鈦-硼化鈦晶須粉末混合原位生成高強度鈦合金抗菌醫(yī)用材料。因此，在本發(fā)明中通過添加銀-碳化鈦-硼化鈦晶須達到鈦合金材料具有更高的強度、疲勞壽命、耐磨性能、抗菌性能和抗氧化性能的目的。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明專利的目的是:在于克服上述現(xiàn)有技術不足，提供一種加工工藝穩(wěn)定、生產成本低廉、無污染排放、可在常規(guī)條件下組織生產的銀-碳化鈦-硼化鈦晶須增韌高強度鈦合金材料，較傳統(tǒng)的鈦合金材料具有更好的強度，較常規(guī)高強度鈦合金材料的韌性大幅提升。
[0005]本發(fā)明提供了一種原位生成銀-碳化鈦-硼化鈦晶須增韌高強度鈦合金材料，其特征在于:該材料沿擠壓流線形成定向排列的銀-碳化鈦-硼化鈦晶須和高強度鈦合金基體材料組成，晶須直徑為300-800nm，原位增強相的體積總量在0.05-0.10。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術方案:原位生成銀-碳化鈦-硼化鈦晶須增韌高強度鈦合金材料由高強度鈦合金基體材料粉末和銀-碳化鈦-硼化鈦晶須粉末組成，然后采用機械混合法使高強度鈦合金基體粉末與銀-碳化鈦-硼化鈦晶須粉末均勻混合，混合粉末冷壓實后在10—6托真空條件下逐步加熱除氣，然后在1450-1500°C，50-200Mpa條件下真空燒結1-10小時，熱壓錠1250-1300°C通過模具通道拐角為100°的等通道彎角擠壓(ECAP)變形4次。測試表明所獲得的原位生成銀-碳化鈦-硼化鈦晶須增韌高強度鈦合金材料具有高強韌性。
[0007]方案所需材料按如下具體步驟制備:
(1)銀-碳化鈦-硼化鈦晶須的制備:
原位生成銀-碳化鈦-硼化鈦晶須粉末的制備工藝為:銀-碳化鈦-硼化鈦前驅體材料化學成分為:氧化銀，聚四氯乙烯，Ti02，TiH，C，硼砂，錳，NaCl，其重量配比為:(1.0?5.0):(20?25):(25?30):(15?20):(20?30):(10?15):(0.1 ?0.9):(1.0?8.1)。將按比例配制的能夠生成銀-碳化鈦-硼化鈦晶須的先驅體復合粉末加無水乙醇于球磨機中進行機械化球磨24小時，獲得具有200-800nm晶粒尺寸超細先驅體復合粉末，將粉末裝入石墨容器中，在氬氣氣氛保護和1450°C-1600°C的溫度條件下，保溫120min-240min合成。
[0008]AgO+C=(加熱)Ag+C0TTi02+3C=(加熱)TiC+2C0T2??Η+4Β=(加熱)2TiB2+H2
(2)高強度鈦合金基體材料粉末制備:
高強度鈦合金基體材料的化學成分及重量百分比為:T1-Nd-Mn-Zr合金，合金成分包括鈦、釹、錳、鋯等元素，Nd:1?4%,Μη:0?0.8%，Zr:0.3?0.8%，其余為鈦元素。將按比例配制的高強度鈦合金粉末加無水乙醇于球磨機中進行機械化球磨24小時，獲得具有50-150μπι晶粒尺寸超細粉末。
[0009]本發(fā)明為獲得最佳的綜合力學性能和生物學腐蝕性能，進一步將合金的各組分重量百分比限制為Nd:3?3.5%,Mn:0.2~ 0.6%，Zr:0.6?0.8%，其余為鈦。將按比例配制的鎂合金粉末加無水乙醇于球磨機中進行機械化球磨24小時，獲得具有50-150μηι晶粒尺寸超細粉末。
[0010]本發(fā)明為獲得最佳的綜合力學性能和生物學腐蝕性能，嚴格控制Fe、Cu、Al等雜質的含量:鈦的純凈度大于等于99.99% J*Nd、Mn、Zr以外的夾雜元素總量不大于
0.3%。
[0011 ] (3)銀-碳化鈦-硼化鈦與高強度鈦合金基體材料混合粉末:
銀-碳化鈦-硼化鈦晶須粉末在高強度鈦合金材料中的重量含量為5-10%，將銀-碳化鈦-硼化鈦與高強度鈦合金基體材料按重量百分比為5-10:95-90的比例配制為銀-碳化鈦-硼化鈦增韌高強度鈦合金材料粉末。
[0012]本發(fā)明中基體合金化元素的作用分別如下:
Nb的加入可以保障高強度鈦合金具有高溫穩(wěn)定性，保持組織的穩(wěn)定性。
[0013 ] Mn的加入可以有足夠的韌性，且具有較高的強度和硬度，提高鈦的淬性，改善鈦的熱加工性。
[0014]Zr的加入可以提高合金的強度和硬度，同時有耐腐蝕性。
[0015]該原位生成銀-碳化鈦-硼化鈦晶須增韌高強度鈦合金材料無需專用設備，在常規(guī)粉末冶金廠即可組織生產，本發(fā)明投資少，見效快，能快速收回投資成本。
[0016]與現(xiàn)有鑄造高強度鈦合金技術相比，原位生成銀-碳化鈦-硼化鈦晶須增韌高強度鈦合金的制備方法具有如下優(yōu)點:
(I)具有強韌性、耐磨性、強度顯著提高，間隔2小時擠壓試樣的力學性能差小于6%，這將有利于大批量、小尺寸□腔材料的穩(wěn)定生產。增強顆粒尺寸細小，分布均勾，組織穩(wěn)定性高，與在高強度鈦合金基體結合良好。材料的室溫韌性、硬度和耐磨性能顯著提高，尤其適合于刀具、模具和航空航天等材料的應用。
[0017](2)合金組織穩(wěn)定性好，不會分解有毒氣體或有毒溶解物，本發(fā)明因增強晶須是與高強度鈦合金顆粒在真空中原位反應生成，生產的工藝穩(wěn)定性高，殺菌效果更好，因為Ag晶須可以在合金中以晶須的形式更為均勻和廣泛的分布。
[0018]【附圖說明】:
下面是結合附圖和實施例對本發(fā)明的具體實施方案進行詳細地說明。
[0019]圖1為獲得試樣橫截面幾何示意圖，取試樣橫截面上5點進行硬度分析；
圖2為試樣增韌前與增韌后的顯微硬度
圖3為獲得試樣的真實應力-應變曲線。
【具體實施方式】
[0020]下面給出本發(fā)明的最佳實施例:按高強度鈦合金基體材料的化學成分及重量百分比為:Nd:3 ?3.5% ,Mn:0.2~ 0.6%，Zr:0.6?0.8%，其余為鈦:97.6?99.5%。將按比例配制的高強度鈦合金粉末加無水乙醇于球磨機中進行機械化球磨24小時，獲得具有50-150μπι晶粒尺寸超細粉末。將銀-碳化鈦-硼化鈦晶須粉末的制備工藝為:銀-碳化鈦-硼化鈦前驅體材料化學成分為:氧化銀，聚四氯乙烯，Ti02，TiH，C，硼砂，錳，NaCl，其重量配比為:(1.0?5.0):(20?25):(25?30):(15?20):(20?30):(10?15):(0.1?0.9):(1.0?8.1)。將按比例配制的能夠生成銀-碳化鈦-硼化鈦晶須的先驅體復合粉末加無水乙醇于球磨機中進行機械化球磨24小時，獲得具有200-800nm晶粒尺寸超細先驅體復合粉末。將銀-碳化鈦-硼化鈦晶須與高強度鈦合金基體材料按重量百分比為8:92的比例配制為銀-碳化鈦-硼化鈦晶須增韌高強度鈦合金材料粉末。然后采用機械混合法使高強度鈦合金基體粉末與銀-碳化鈦-硼化鈦晶須粉末均勻混合，混合粉末冷壓實后在10—6托真空條件下逐步加熱除氣，然后在1475°C，150Mpa條件下真空燒結2小時，熱壓錠在1300°C通過模具通道拐角為100°的等通道彎角擠壓(ECAP)變形4次。然后進行T6處理，并進行性能測試。測試表明所獲得的原位生成碳化鈦-碳化硅晶須增韌高強度鈦合金材料具有高強韌性。該工藝下可獲得高韌性、高強度鈦合金(合金硬度:HV=346，抗拉強度:1412MPa，密度:4.69 g/cm3)。
【主權項】
1.銀-碳化鈦-硼化鈦晶須增韌高強度鈦合金抗菌醫(yī)用材料，其特征是原位生成銀-碳化鈦-硼化鈦晶須增韌高強度鈦合金材料由高強度鈦合金基體材料粉末和銀-碳化鈦-硼化鈦晶須粉末組成，然后混合粉末冷壓實后在真空條件下燒結1-10小時，熱壓錠1250-1300°c通過模具通道拐角為100°的等通道彎角擠壓(ECAP)變形4次。2.根據權利要求1所述的銀-碳化鈦-硼化鈦晶須增韌高強度鈦合金抗菌醫(yī)用材料，其特征是高強度鈦合金基體材料的化學成分及重量百分比為:T1-Nd-Mn-Zr合金，合金成分包括鈦、釹、錳、鋯等元素，重量百分比為Nd:l?4%，Mn:0?0.8%，Zr:0.3?0.8%，其余為鈦元素。3.根據權利要求1所述的銀-碳化鈦-硼化鈦晶須增韌高強度鈦合金抗菌醫(yī)用材料，其特征是銀-碳化鈦-硼化鈦前驅體材料化學成分為:氧化銀，聚四氯乙烯，Ti02，TiH，C，硼砂，錳，NaCl，其重量配比為:(1.0?5.0):(20?25):(25?30):(15?20):(20?30):(10?15):(0.1?0.9): (1.0?8.1)，將具有200-800nm晶粒尺寸超細先驅體復合粉末在氬氣氣氛保護和1450°C-1600°C的溫度條件下，保溫120min-240min合成銀-碳化鈦-硼化鈦晶須粉末。
【文檔編號】C22C101/22GK105861966SQ201610475749
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】徐淑波, 周玉林, 黃麗麗, 鄭偉, 任國成
【申請人】山東建筑大學