一種β型Zr-Ti-Nb-Sn系合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋯合金技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種兼具低彈性模量和高強(qiáng)度的生物醫(yī)用β型Zr-T1-Nb-Sn系合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生物醫(yī)用材料(或簡稱生物材料)，是指以醫(yī)療為目的，用于診斷、治療、修復(fù)或替換人體組織器官或增進(jìn)其功能的材料；根據(jù)生物材料組成的不同，可將其分為生物醫(yī)用無機(jī)非金屬材料、生物醫(yī)用有機(jī)材料、生物醫(yī)用金屬材料以及生物醫(yī)用復(fù)合材料等，其中，生物醫(yī)用金屬材料由于具有易加工成型、較高的強(qiáng)度、良好的韌性等特性，已經(jīng)成為臨床上應(yīng)用最為廣泛的承力植入材料，如斷骨結(jié)合夾板、矯形植入體、各種牙科材料等。
[0003]在生物醫(yī)用金屬材料中，鈦及鈦合金(尤其是β型鈦合金)憑借其優(yōu)良的生物相容性、耐腐蝕性、綜合力學(xué)性能和工藝性能已成為人工關(guān)節(jié)(髖、膝、肩、踝、肘、腕、指關(guān)節(jié)等)、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品(髓內(nèi)釘、鋼板、螺釘?shù)?及脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)等醫(yī)用植入產(chǎn)品的首選材料；然而，以β型鈦合金為代表的鈦材料在應(yīng)用于生物植入領(lǐng)域時仍然存在明顯的不足，其中，最重要的一點是鈦合金的彈性模量較人骨的彈性模量明顯偏高。這種植入材料與人骨間彈性模量的不匹配，容易造成“應(yīng)力屏蔽”現(xiàn)象，引起植入材料松動，最終造成植入失敗，因此，研發(fā)新型的生物醫(yī)用金屬材料已經(jīng)成為當(dāng)今生物醫(yī)用材料的研究熱點之一。
[0004]與鈦合金類似，鋯合金同樣具有優(yōu)良的機(jī)械性能、耐腐蝕性能、組織相容性及無毒特性，目前，鋯合金主要用于反應(yīng)堆芯結(jié)構(gòu)材料(如燃料包殼)及耐腐蝕的容器和管道(如壓力管、支架和孔道管)等，且目前獲得應(yīng)用的鋯合金均為α型(晶體結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu))鋯合金；目前，鋯在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的主要應(yīng)用是作為鈦合金中的合金元素，在β型鈦合金中起固溶強(qiáng)化和穩(wěn)定β相(晶體結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu))的作用，β型鋯合金在生物醫(yī)用材料方面的研究還相當(dāng)稀少；而本發(fā)明主要是以生物醫(yī)用β型鋯合金為研究對象，通過向鋯基體中(錯重量百分比> 50%)添加鈦、鈮和錫三種元素，制備出兼具低彈性模量和高強(qiáng)度的新型生物醫(yī)用β型鋯合金，拓展生物醫(yī)用材料的門類，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)鈦合金在生物醫(yī)用領(lǐng)域性能的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]而本發(fā)明主要是以生物醫(yī)用β型鋯合金為研究對象，通過向鋯基體中(鋯重量百分比> 50%)添加鈦、鈮和錫三種元素，制備出兼具低彈性模量和高強(qiáng)度的新型生物醫(yī)用β型鋯合金，拓展生物醫(yī)用材料的門類，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)鈦合金在生物醫(yī)用領(lǐng)域性能的不足。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種兼具低彈性模量和高強(qiáng)度的β型Zr-T1-Nb-Sn系合金，所述合金成分按照重量百分比計算為:鈦 20.5%~27.0%，鈮 3.5%~13.5%，錫 2.5%~6.5%，其余為鋯(> 50%)。
[0007]本發(fā)明采用的原材料為純度超過99.0wt%的海綿鋯、海綿鈦、鈮塊和錫塊即可，這些純度的原料均無須進(jìn)口，國內(nèi)可批量采購。
[0008]本發(fā)明制得的β型Zr-T1-Nb-Sn系合金拉伸彈性模量為38~45 GPa，明顯低于鈦合金的拉伸彈性模量(55~110 GPa)，與人骨的彈性模量(~40 GPa)近似相當(dāng)，同時具有較高的拉伸強(qiáng)度(580~620 MPa)。
[0009]本發(fā)明涉及的β型Zr-T1-Nb-Sn系合金的制備工藝如下:
(1)原料稱重:根據(jù)合金元素組分的種類選取工業(yè)用純度超過99.0wt%的海綿鋯、海綿鈦、鈮塊和錫塊為原料，依據(jù)重量百分比進(jìn)行稱重配料。
[0010](2)原料混合:將稱重好的鋯、鈦、鈮利用攪拌混合的方法混合均勻，錫單獨放置，不參與混料。
[0011 ] (3)合金熔煉:采用水冷銅坩禍非自耗真空電弧爐對合金進(jìn)行熔煉，為了防止低熔點錫元素熔煉過程中的揮發(fā)耗損，首次熔煉時應(yīng)將錫原料至于坩禍底部，然后將混合后的鋯、鈦、鈮放置在錫的上面，原料放入坩禍后進(jìn)行抽真空處理，合金熔煉前將爐內(nèi)抽成真空度為7 X 10 -8X10 4Pa的狀態(tài)后，通入氬氣保護(hù)(氬氣氣壓控制在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓);熔煉時熔煉電壓為220V，熔煉電流為200~220A ;熔煉結(jié)束后，在惰性氣體氬氣的保護(hù)下采用坩禍底部通循環(huán)冷卻水的方式進(jìn)行冷卻，合金由液態(tài)凝固至固態(tài)的冷卻時間為10~40秒，合金凝固后繼續(xù)對坩禍底部通水冷卻，得到組織為β型Zr-T1-Nb-Sn系合金，整個冷卻過程持續(xù)時間500~1000秒；為了保證成分均勻，合金反復(fù)熔煉3~5次，最終制得成分均勻的β型Zr-T1-Nb-Sn 合金。
[0012](4)合金元素的選取原則如下:
鋯:選用為基體元素，通過其它合金元素的添加，最終獲得β型Zr合金。
[0013]鈦:鈦和鋯屬于同族元素，二者具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，能夠完全互溶。鈦和鋯的晶格參數(shù)之間存在明顯的差異，鈦元素的加入能夠使合金產(chǎn)生明顯的晶格畸變，對合金起到固溶強(qiáng)化的作用。
[0014]鈮:鈮元素能夠?qū)喓辖鸬母邷卅孪喾€(wěn)定至室溫，起β相穩(wěn)定化元素的作用。此夕卜，鈮元素的加入也能夠起到固溶強(qiáng)化和提高合金韌性的作用。
[0015]錫:在鋯合金的高溫β相冷卻至室溫的過程中，經(jīng)常會伴隨著微量ω相的析出，ω相的析出會導(dǎo)致鋯合金彈性模量的顯著升高，并降低合金的塑性。錫元素的加入能有效抑制合金中ω相的析出，因此在降低鋯合金的彈性模量和提高韌性方面有顯著效果。
[0016]本發(fā)明制備的β型Zr-T1-Nb-Sn系合金所選取的原料均為無細(xì)胞毒性元素，其拉伸彈性模量較鈦合金的拉伸彈性模量(55~110 GPa)明顯降低，與人骨的彈性模量(~40GPa)近似相當(dāng)，可以有效緩解由植入體與人骨之間彈性模量不匹配誘發(fā)的植入失效，本發(fā)明制備的β型Zr-T1-Nb-Sn系合金可以廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用植入材料等領(lǐng)域，如假肢、人工關(guān)節(jié)和骨創(chuàng)傷產(chǎn)品等。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點:
1.本發(fā)明的β型Zr-T1-Nb-Sn系合金的拉伸彈性模量為38~45 GPa，明顯低于鈦合金的拉伸彈性模量(55-110 GPa),與人骨的彈性模量(~40 GPa)近似相當(dāng)，可以有效緩解由植入體與人骨之間彈性模量不匹配誘發(fā)的植入失效。
[0018]2.本發(fā)明的β型Zr-T1-Nb-Sn系合金所選用的四種合金元素鋯、鈦、鈮和錫均為無細(xì)胞毒性元素，且原料成本相對較低，有效地避免了某些醫(yī)用合金中對貴重金屬元素的過度依賴，降低了合金的研發(fā)和生產(chǎn)成本。
[0019]3.本發(fā)明的β型Zr-T1-Nb-Sn系合金屬于新型生物醫(yī)用鋯合金(鋯重量百分比>50%)，與傳統(tǒng)的生物醫(yī)用β型鈦合金(鈦重量百分比>50%)存在顯著差異。
[0020]4.本發(fā)明的β型Zr-T1-Nb-Sn系合金的研發(fā)拓展了生物醫(yī)用材料的種類，為矯形植入體等生物醫(yī)用植入件提供了一種新材料。
【附圖說明】
[0021]圖1為實施例1的β型Zr-T1-Nb-Sn合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0022]圖2為實施例1的X射線衍射圖譜。
[0023]圖3為實施例1的β型Zr-T1-Nb-Sn合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0024]圖4為實施例1的X射線衍射圖譜。
[0025]圖5為實施例1的β型Zr-T1-Nb-Sn合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0026]圖6為實施例1的X射線衍射圖譜。
【具體實施方式】
[0027]實施例1:
1.成分配比:選用純度為99.0%以上的工業(yè)用料為原材料，合金的各組分重量百分比分別為:鋯為73.5%，鈦為20.5%，鈮為3.5%，錫為2.5%。
[0028]2.制備方法:
(1)原料秤重，依據(jù)各組分原料的重量百分比進(jìn)行稱重配料。
[0029](2)原料混合，將稱重好的鋯、鈦、鈮利用攪拌混合的方法混合均勻，錫單獨放置，不參與混料。
[0030](3)原料熔煉，采用水冷銅坩禍非自耗真空電弧爐對合金進(jìn)行熔煉，首次熔煉時將低熔點的錫元素放置在坩