一種高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)用鈦合金領(lǐng)域，特別涉及一種高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金具有優(yōu)異的生物相容性、力學(xué)性能和耐蝕性能，近年來已逐漸成為生物醫(yī)用材料的首選材料之一。目前常用的醫(yī)用Ti合金材料有純T1、Ti6A14V等合金材料，它們主要是以α、α+β兩相為主，故其植入件彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人骨的彈性模量，容易產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽而致使植入失敗。眾所周知，β型鈦合金比α+β型鈦合金具有更低的彈性模量，制備β型鈦合金材料是降低彈性模量的有效手段。
[0003]目前，許多研究者采用鑄造、真空熔煉、熱處理、水淬等技術(shù)研制出了TiNbZr、TiNbZrTaJiNbZrSn等β-Ti合金，該類合金的彈性模量在40?71GPa之間。但該類合金材料的制備工藝較復(fù)雜，為保證合金成分均勻，需要反復(fù)熔煉后進(jìn)行固溶處理或時(shí)效處理。因?yàn)楣倘芴幚韮H能提高塑性，而時(shí)效處理僅能提高強(qiáng)度，故需兩者結(jié)合才能提高材料的綜合性能。此外，采用鑄造法制備出的Ti合金材料晶粒組織粗大，還需改善工藝進(jìn)行后處理細(xì)化晶粒以進(jìn)一步提尚其綜合力學(xué)性能。
[0004]放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，簡稱SPS)技術(shù)具有加熱均勾、升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、燒結(jié)效率高等優(yōu)勢，近年來作為功能材料的制備手段得到廣泛應(yīng)用。使用此方法制備出的合金材料組織細(xì)小均勻，致密度高。
[0005]因此，若能通過選擇生物相容性好、β相穩(wěn)定的金屬元素，再結(jié)合機(jī)械合金化制備合金粉末和放電等離子燒結(jié)等粉末固結(jié)技術(shù)，必定能制備出力學(xué)性能好、彈性模量低的新型β-Ti合金，這具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金材料，該合金材料具有與人骨相當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ?，可較好地應(yīng)用于醫(yī)用領(lǐng)域。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金材料的制備方法。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金材料，其微觀結(jié)構(gòu)為完全的β_Ti相，所述β-Ti合金材料中含有鈦(Ti)、鈮(Nb)、鋯(Zr)和銦(In)四種元素，其中，鈦元素的質(zhì)量百分比為62?68%，鈮的質(zhì)量百分比為25.2?28%，鋯的質(zhì)量百分比為1.8?2%，銦的質(zhì)量百分比為2?11%。
[0009]作為一種優(yōu)選方案，所述β-Ti合金材料中，鈦元素的質(zhì)量百分比為62%，鈮的質(zhì)量百分比為28%，鋯的質(zhì)量百分比為2%，銦的質(zhì)量百分比為2%。
[0010]作為另一種優(yōu)選方案，所述β-Ti合金材料中，鈦元素的質(zhì)量百分比為64.2%，鈮的質(zhì)量百分比為26.4%，鋯的質(zhì)量百分比為1.9%，銦的質(zhì)量百分比為7.5%。
[0011]作為再一種優(yōu)選方案，所述β-Ti合金材料中，鈦元素的質(zhì)量百分比為62%，鈮的質(zhì)量百分比為25.2%，鋯的質(zhì)量百分比為1.8%，銦的質(zhì)量百分比為11%。
[0012]一種高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金材料的制備方法，包括以下步驟:
[0013](I)混粉:按照β-Ti合金材料中鈦、鈮、鋯和銦四種元素的質(zhì)量百分比，稱取相應(yīng)質(zhì)量的單質(zhì)粉末，然后放入混粉機(jī)中混合均勻，形成混合粉末；
[0014](2)高能球磨制備β-Ti合金粉末:將步驟(I)得到的混合粉末放入高純氬氣保護(hù)的球磨機(jī)進(jìn)行高能球磨，球磨轉(zhuǎn)速為250?350r/min，球磨時(shí)間40?60h，形成β-Ti合金粉末；
[0015](3)放電等離子燒結(jié)β-Ti合金粉末:將步驟(2)得到的β-Ti合金粉末放入燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行快速燒結(jié)，燒結(jié)溫度為800?1000°C，升溫速率平均為30?150°C/min，燒結(jié)保溫時(shí)間為O?15min，得到微觀結(jié)構(gòu)為完全的β-Ti相的塊狀合金。
[0016]其中，所述步驟(I)中，鈦、鈮和銦的單質(zhì)粉末均采用純度為99.95%的單質(zhì)粉末，鋯的單質(zhì)粉末采用純度為99.6%的單質(zhì)粉末。
[0017]所述步驟(I)中，混分機(jī)為V型混粉機(jī)，混合時(shí)間為5h。
[0018]所述步驟(2)中，球磨機(jī)為QM-2SP12型行星球磨機(jī)，球磨機(jī)中采用不銹鋼的球磨罐和磨球，球磨罐內(nèi)充入高純氬氣，磨球有3個(gè)，各磨球的直徑分別為6mm、1mm和15mm，3個(gè)磨球的重量比為1:3:1。
[0019]所述步驟(3)中，燒結(jié)設(shè)備為放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)或真空熱壓爐。
[0020]所述步驟(3)中，燒結(jié)設(shè)備的加熱方式為脈沖電流加熱或輻射加熱，燒結(jié)壓力為30?50MPa，燒結(jié)真空度< ICT2Pa。
[0021 ]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果:
[0022]本高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金材料具有與人骨相當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ?，可完全代替目前以α型、?β型合金材料在醫(yī)用領(lǐng)域的使用，可代替人骨使用，具有較高的植入成功率，可較好地應(yīng)用于醫(yī)用領(lǐng)域。
[0023]本高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金材料的制備方法，通過選擇生物相容性好、β相穩(wěn)定的金屬元素，采用機(jī)械合金化制備合金粉末，再通過放電等離子燒結(jié)等粉末固結(jié)技術(shù)制備出力學(xué)性能好、彈性模量低的新型β-Ti合金，具有重要的理論意義和工程價(jià)值。
[0024]本高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金材料的制備方法，克服傳統(tǒng)鑄造法的缺陷，制備工藝簡單、操作方便、節(jié)約成本;采用的放電等離子燒結(jié)技術(shù)具有燒結(jié)速率低、升溫速率快、燒結(jié)時(shí)間短、效率高等特點(diǎn);燒結(jié)后獲得的材料組織均勻細(xì)小、致密度高。由試驗(yàn)證明，該技術(shù)被認(rèn)為是一種綠色、可持續(xù)的制造技術(shù)，其推廣應(yīng)用將在新材料的研究和生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。
【附圖說明】
[0025]圖1為實(shí)施例1中制得的鈦合金材料的X射線衍射圖。
[0026]圖2為實(shí)施例1中制得的鈦合金材料的掃描電鏡圖。
[0027 ]圖3為實(shí)施例1中制得的鈦合金材料的室溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0029]實(shí)施例1
[0030]本實(shí)施例一種高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金材料，其中所含鈦、鈮、鋯和銦四種元素的質(zhì)量百分比分別為68wt % T 1、28wt % Nb、2wt % Zr、2wt % In, β-Τ i合金材料中還含有不可避免的微量雜質(zhì)。
[0031]上述高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金材料的制備方法包括以下步驟:
[0032](I)混粉:按照β-Ti合金材料中鈦、鈮、鋯和銦四種元素的質(zhì)量百分比，稱取相應(yīng)質(zhì)量的單質(zhì)粉末，各單質(zhì)粉末中，T1、Nb、In的粉末純度為99.95%, Zr的粉末純度為99.6 %，各單質(zhì)粉末的平均顆粒尺寸約為45μπι;然后將各單質(zhì)粉末放入V型混粉機(jī)中混合均勻，混合時(shí)間為5h，形成混合粉末；
[0033](2)高能球磨制備β-Ti合金粉末:將步驟(I)得到的混合粉末放入高純氬氣保護(hù)的球磨機(jī)進(jìn)行高能球磨，球磨機(jī)為QM-2SP12型行星球磨機(jī)，球磨機(jī)中采用不銹鋼的球磨罐和磨球，球磨罐內(nèi)充入高純氬氣，磨球有3個(gè)，各磨球的直徑分別為6mm、1mm和15mm，3個(gè)磨球的重量比對應(yīng)為1:3:1，球磨轉(zhuǎn)速為250r/min，球磨時(shí)間40h，形成β-Ti合金粉末；
[0034](3)放電等離子燒結(jié)β-Ti合金粉末:稱取步驟(2)得到的β-Ti合金粉末20g，裝入直徑為20mm的石墨模具中，將整個(gè)模具放入燒結(jié)設(shè)備中并抽真空至10—2Pa,然后進(jìn)行快速燒結(jié);其中，燒結(jié)設(shè)備為Dr Sintering SPS-825放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)，采用脈沖電流快速燒結(jié)，燒結(jié)溫度為800°C，升溫速率平均為50°C/min (具體分為3個(gè)階段，8卩:先在Imin內(nèi)升溫到25?50°C，然后在16min內(nèi)升溫到850°C左右，再在Imin內(nèi)升溫到850°C?900°C)，燒結(jié)保溫時(shí)間為Omin，燒結(jié)壓力為30MPa，得到微觀結(jié)構(gòu)為完全的β-Ti相的塊狀合金。
[0035]制得的塊狀合金是尺寸為020mmX10mm的高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金。附圖1為該塊狀合金的X射線衍射圖(即衍射角2Θ與衍射峰強(qiáng)度的關(guān)系圖)，表明該塊狀合金為單一的β-Ti相。附圖2所示的掃描電鏡圖表明該高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金為等軸晶超細(xì)晶組織，晶粒尺寸為400nm?1200nm。附圖3為該高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金材料的室溫壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該合金的壓縮屈服強(qiáng)度為1109MPa，斷裂應(yīng)變不小于56% (試驗(yàn)過程中，樣品并未壓斷，而是被壓成薄餅狀)，彈性模量為29GPa。
[0036]實(shí)施例2
[0037]本實(shí)施例一種高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金材料，其中所含鈦、鈮、鋯和銦四種元素的質(zhì)量百分比分別為64.2wt % T1、26.4wt % Nb、I.9wt % Zr、7.5wt % In，β-Ti合金材料中還含有不可避免的微量雜質(zhì)。
[0038]上述高強(qiáng)低模醫(yī)用β-Ti合金材料的制備方法包括以下步驟:
[0039](I)混粉:按照β-Ti合金材料中鈦、鈮、鋯和銦四種元素的質(zhì)量百分比，稱取相應(yīng)質(zhì)量的單質(zhì)粉末，各單質(zhì)粉末中，T1、Nb、In的粉末純度為99.95%, Zr的粉末純度為99.6 %，各單質(zhì)粉末的平均顆粒尺寸約為45μπι;然后將各單質(zhì)粉末放入V型混粉機(jī)中混合均勻，混合時(shí)間為5h，形成混合粉末；
[0040](2)高能球磨制備β-Ti合金粉末:將步驟(I)得到的混合粉末放入高純氬氣保護(hù)的球磨機(jī)進(jìn)行高能球磨，球磨機(jī)為QM-2SP12型行星球磨機(jī)，球磨機(jī)中采用不銹鋼的球磨罐和磨球，球磨罐內(nèi)充入高純氬氣，磨球有3個(gè)，各磨球的直徑分別為6mm、1mm