一種超低彈性模量高強度鈦合金材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供了一種超低彈性模量、高強度鈦合金材料的制備方法，屬于生物醫(yī)用材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]鈦合金具有生物相容性好、高比強度、低彈性模量、耐腐蝕等優(yōu)點，已成為生物醫(yī)用材料領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展重點。目前臨床應(yīng)用的鈦合金主要為T1-6A1-4V及其改進合金，但此類合金彈性模量約為80~110Gpa，較人體組織彈性模量(10~30GPa)仍然較大，與人體骨難以匹配。此外，長期植入體內(nèi)Al或V離子的析出也會對人體造成潛在危害。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計研發(fā)無毒、彈性模量更低的新型β型鈦合金成為醫(yī)用鈦合金材料目前的主要發(fā)展趨勢。
[0003]目前關(guān)于超低彈性模量、高強度β鈦合金的國內(nèi)外報道較少。其中Yurie等設(shè)計制備了 β 型 Ti29Nb13Ta46Zr 合金，其彈性模量為 60_67Gpa (Mechanical Strengthand Bone Contactability of B1medical Titanium Alloy with Low Young’s ModulusSubjected to Fine Particle Bombarding Process.The Japan Institute of Metalsand Materials, 2014, 78: 163-169) ;Li 等釆用粉末冶金方法制備了超細晶(Ti69.7Nb23.7Zi*4.9TaL7)94 Fe6合金，研究表明合金由β -Ti相與FeTi相組成，所得的彈性模量為52_54Gpa(Ultrafine -grained T1-based composites with high strength and low modulus.Materials Science & Engineering A, 2013, 560: 857-861); Chrominski 等制備了 β型 Ti_45Nb 合金，其彈性模量為 57_68Gpa (Enhancement of mechanical properties ofb1compatible T1- 45Nb alloy by hydrostatic extrus1n.Journal of MaterialsScience, 2014, 49: 6930-6936)。目前所報道的新型β鈦合金彈性模量仍然較人體組織(10~30GPa)存在較大差距，因此發(fā)展無毒并具有超低彈性模量以及高強度的鈦合金在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。
[0004]本專利提出通過制備β +FCC-Ti雙相鈦合金來大幅度降低鈦合金的彈性模量，并可在保持鈦合金高強度的基礎(chǔ)上改善其塑形指標。目前，國內(nèi)外還未見到相關(guān)研究報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種超低彈性模量高強度鈦合金材料的制備方法，可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種超低彈性模量高強度鈦合金材料的制備方法，具體步驟如下:
步驟1:配比原料:以Ti粉、Mo粉和Fe粉為主要原料，各種成分的按照質(zhì)量百分比計為:Mo含量5~12%，F(xiàn)e的含量為0~9%，同時成分滿足Mo當量范圍為6~38wt%，Mo 當量計算公式為:[Mo]當量=%Mo+%Fe/0.35+%Cr/0.63+%Mn/0.65+%Ni/0.8+%V/1.5+%ff/2+%Nb/3.6+%Ta/4.5，余量為Ti和及其他微量合金元素，備用；
步驟2:將步驟I得到的混合粉末進行高能球磨，球磨過程在惰性氣體保護下進行，球料比為5: 1-20: 1，轉(zhuǎn)速600~1500r/min，球磨時間為2~30h，得到成分均勻分布且晶粒尺寸(150nm的復(fù)合粉末；
步驟3:將步驟2得到的球磨粉末裝入石墨模具中，再置入放電等離子燒結(jié)爐中，施加10~80MPa的軸向壓力，采用真空度10_2?6Pa的真空條件或惰性氣體保護下進行燒結(jié)，以速度為50?300°C /min升溫，升溫至800?1000°C，保溫后隨爐冷卻至室溫，即可得到由β +FCC-Ti兩相組成的鈦合金塊體材料其致密度為97.0 %以上。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:
(I)所制備新型β +FCC-Ti雙相鈦合金材料具超低彈性模量及高強度、高塑性的特點，其彈性模量指標與自然骨匹配，具有優(yōu)異的生物力學(xué)適應(yīng)性，其致密度為97.0%以上，其彈性模量為15~32GPa，壓縮強度為2000~2800Mpa (2)所制備鈦合金具有超細晶組織結(jié)構(gòu)，使其具有較高的造骨細胞粘附力，表現(xiàn)為更為優(yōu)異的生物相容性。
[0008]( 3 )工藝方法簡單、制備周期短，可實現(xiàn)數(shù)控操作，制備工藝可重復(fù)性強。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明制備的T1-8Mo_3Fe合金顯微組織的掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0010]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明。
[0011]實施例1
以T1、Mo和Fe元素粉末為原料，粒度均為-500目，按照名義成分T1-8Mo-3Fe(鑰當量為16.6wt.%)進行配比。將混合粉末進行振動式高能球磨，球磨過程在高純氬氣保護下進行，球料比10:1，轉(zhuǎn)速1000r/min。球磨1h后收集到平均晶粒尺寸為15nm左右的復(fù)合粉末。將球磨粉末放入Φ20的石磨模具中，隨后把石磨模具放入放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)，系統(tǒng)抽真空至2Pa，外加軸向壓力均為40MPa，以100°C /min的速度升溫至900°C，保溫5min后隨爐冷卻，即得到T1-8Mo-3Fe合金塊體材料。經(jīng)檢測，制備合金樣品由β +FCC-Ti兩相組成，其致密度為98.95%，合金。樣品的力學(xué)性能為:彈性模量為23.69GPa，抗壓強度為2465MPa，壓縮斷裂應(yīng)變?yōu)?4.7%。制備樣品的高分辨場發(fā)射掃描電鏡照片如附圖1所示。
[0012]實施例2
以T1、Mo元素粉末為原料，粒度均為-325目，按照名義成分T1-6Mo(鑰當量為6 wt.%)進行配比。將混合粉末進行振動式高能球磨，球磨過程在高純氬氣保護下進行，球料比10:1，轉(zhuǎn)速1200r/min。球磨8h后收集到平均晶粒尺寸為32nm左右的復(fù)合粉末。將球磨粉末放入Φ20的石磨模具中，隨后把石磨模具放入放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)，系統(tǒng)抽真空至2Pa，外加軸向壓力均為40MPa，以100°C /min的速度升溫至1000°C，保溫5min后隨爐冷卻，即得到T1-6Mo合金塊體材料。經(jīng)檢測，制備樣品的致密度為98.49%。樣品的力學(xué)性能為:彈性模量為19.44GPa，抗壓強度為2248MPa，壓縮斷裂應(yīng)變?yōu)?1.3%。
[0013]實施例3
以T1、Mo和Fe元素粉末為原料，粒度均為-500目，按照名義成分T1-8Mo_9Fe (鑰當量為33.7 wt.%)進行配比。將混合粉末進行振動式高能球磨，球磨過程在高純氬氣保護下進行，球料比15:1，轉(zhuǎn)速800r/min。球磨12h后收集到平均晶粒尺寸為9nm左右的復(fù)合粉末。將球磨粉末放入Φ20的石磨模具中，隨后把石磨模具放入放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)，系統(tǒng)抽真空至2Pa，外加軸向壓力均為40MPa，以100°C /min的速度升溫至850°C，保溫5min后隨爐冷卻，即得到T1-8Mo-9Fe合金塊體材料。經(jīng)檢測，制備合金樣品由β +FCC-Ti及少量TiFe相組成，其致密度為98.37%，合金樣品的力學(xué)性能為:彈性模量為30.71GPa，抗壓強度為2591MPa，壓縮斷裂應(yīng)變?yōu)?7.9%。
[0014]實施例4:
以T1、Mo和Fe元素粉末為原料，粒度均為-500目，按照名義成分T1-9Mo-6Fe_2Cr (鑰當量為29.2wt.%)進行配比。將混合粉末進行振動式高能球磨，球磨過程在高純氬氣保護下進行，球料比20:1，轉(zhuǎn)速600r/min。球磨25h后收集到平均晶粒尺寸為32nm左右的復(fù)合粉末。將球磨粉末放入Φ20的石磨模具中，隨后把石磨模具放入放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)，系統(tǒng)抽真空至6Pa，外加軸向壓力均為80MPa，以300°C /min的速度升溫至850°C，保溫5min后隨爐冷卻，即得到T1-9Mo-6Fe-2Cr合金塊體材料。經(jīng)檢測，制備合金樣品由β +FCC-Ti組成，其致密度為97.7%，合金樣品的力學(xué)性能為:彈性模量為29.6GPa，抗壓強度為2223MPa，壓縮斷裂應(yīng)變?yōu)?7.9%。
[0015]實施例5:
以T1、Mo和Fe元素粉末為原料，粒度均為-500目，按照名義成分T1-5Mo-7Fe(鑰當量為25wt.%)進行配比。將混合粉末進行振動式高能球磨，球磨過程在高純氬氣保護下進行，球料比15:1，轉(zhuǎn)速700r/min。球磨5h后收集到平均晶粒尺寸為95nm左右的復(fù)合粉末。將球磨粉末放入Φ20的石磨模具中，隨后把石磨模具放入放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)，系統(tǒng)抽真空至5Pa，外加軸向壓力均為60MPa，以250°C /min的速度升溫至900°C，保溫5min后隨爐冷卻，即得到T1-5Mo-7Fe合金塊體材料。經(jīng)檢測，制備合金樣品由β +FCC-Ti及少量TiFe相組成，其致密度為97.9%，合金樣品的力學(xué)性能為:彈性模量為30.9GPa，抗壓強度為2346MPa，壓縮斷裂應(yīng)變?yōu)?8.7%。
【主權(quán)項】
1.一種超低彈性模量高強度鈦合金材料的制備方法，其特征在于，該方法的具體步驟如下: 步驟1:配比原料:以Ti粉、Mo粉和Fe粉為主要原料，各種成分的按照質(zhì)量百分比計為:Mo含量5-12%，F(xiàn)e的含量為0_9%，同時成分滿足Mo當量范圍為6_38wt%，Mo當量計算公式為:[Mo]當量=%Mo+%Fe/0.35+%Cr/0.63+%Mn/0.65+%Ni/0.8+%V/l.5+%ff/2+%Nb/3.6+%Ta/ 4.5，余量為Ti和及其他微量合金元素，備用； 步驟2:將步驟I得到的混合粉末進行高能球磨，球磨過程在惰性氣體保護下進行，球料比為5: 1-20: 1，轉(zhuǎn)速600~1500r/min，球磨時間為2~30h，得到成分均勻分布且晶粒尺寸(150nm的復(fù)合粉末； 步驟3:將步驟2得到的球磨粉末裝入石墨模具中，再置入放電等離子燒結(jié)爐中，施加10~80MPa的軸向壓力，采用真空度10_2~6Pa的真空條件或惰性氣體保護下進行燒結(jié)，以速度為50~300°C /min升溫，升溫至800~1000°C，保溫后隨爐冷卻至室溫，即得到鈦合金塊體材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鈦合金塊體材料主要由β+FCC-Ti兩相組成，其致密度為97.0%以上，其彈性模量為15~32GPa，壓縮強度為2000~2800Mpa。
【專利摘要】發(fā)明提供了一種超低彈性模量高強度鈦合金材料的制備方法，屬于生物醫(yī)用材料制備技術(shù)領(lǐng)域。以Ti、Mo、Fe元素粉末為主要原料，按照鉬當量為6~38wt.%進行成分配比，將混合粉末進行高能球磨，通過調(diào)整球磨工藝參數(shù)得到納米晶鈦基復(fù)合粉末。將球磨粉末裝入石墨模具內(nèi)并進行放電等離子燒結(jié)，燒結(jié)溫度為800~1000℃，保溫后隨爐冷卻即可得到鈦合金塊體材料。該方法的優(yōu)勢在于：工藝簡單制備周期短，所制備合金主要由β-Ti以及FCC-Ti兩相組成，并具有超細晶的組織結(jié)構(gòu)特點。制備的新型鈦合金具超低彈性模量及高強度、高塑性的特征，其彈性模量指標與自然骨匹配，具有優(yōu)異的生物力學(xué)適應(yīng)性。
【IPC分類】C22C14-00, C22C1-04
【公開號】CN104611611
【申請?zhí)枴緾N201510032826
【發(fā)明人】路新, 夏青, 徐偉, 曲選輝, 王濤
【申請人】北京科技大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月22日