CN103509959B - 一种生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金的制备方法，按质量百分比将15～30%的钽、10～15%的铌、5～10%的锆、≤1%的硅以及余量钛放入非自耗真空熔炼炉内并在氩气保护下熔炼，真空度≥5×10^-3Pa，熔炼温度1600～2800℃，出炉浇铸成钛钽铌锆硅合金铸锭，在900～1000℃的真空热处理炉内对其热处理，在800～900℃加热下对其热轧得到厚度0.5～5mm的片状钛钽铌锆硅合金，再经700～850℃热处理及淬火后即可得到生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金，其弹性模量在40～60GPa之间，作为医用植入材料能大大降低“应力屏蔽”效应，而抗拉强度、屈服强度及断裂延伸率均有不同提高。

Description

一种生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金的制备方法

技术领域

本发明属于钛合金制备技术领域，尤其是一种生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金的制备方法。

背景技术

与传统的生物医用不锈钢和钴铬合金相比，钛及钛合金材料如Ti6Al4V、TiNi等，由于其低弹性模量、高比强度、优异的生物相容性和耐腐蚀性等特点，使其更适用生物医学领域，在人工关节如髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等、骨创伤产品如髓内钉、固定板、螺钉等、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托、牙矫形丝、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用器件方面具有广泛的使用范围。

制备临床效果佳的生物医用钛合金不应具有毒性元素，同时还应考虑金属过敏的风险，因此国际上研发成功的无毒、无过敏性合金元素的生物医用钛合金多集中在Ti-Mo基、Ti-Nb基以及Ti-Zr基合金，如：Ti13Nb13Zr、Ti12Mo6Zr2Fe、Ti12Mo5Zr5Sn、Ti15Mo、Ti16Nb10Hf、Ti15Mo2.8Nb0.2Si、Ti45Nb、Ti35Zr10Nb、Ti35Nb7Zr5Ta、Ti29Nb13Ta4.6Zr以及Ti30Zr1Mo等。

上述生物医用合金虽然具有形状记忆效应和生物相容性佳等特点，但是上述生物医用合金的弹性模量相对人骨的弹性模量4～30GPa还是太高，作为医用材料可能会出现“应力屏蔽”效应，影响了上述生物医用合金的推广应用。

CN101285139 A公开了一种低弹性模量钛钽锆形状记忆合金及其制备方法，钛钽锆按质量百分数其组成为：钽40～55%、锆3～12%、余为钛，该合金钽元素含量较高，导致制备合金的成本大增，不宜作为普适性的生物医用钛合金。

因此，寻找一种低成本且生物相容性好的低弹性模量钛钽基合金就显得十分重要。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金的制备方法，通过该制备方法制备出的钛钽铌锆硅合金不仅生产成本较低，而且生物相容性较好，为生物医学领域尤其是作为医用植入材料开拓了良好的应用前景。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金的制备方法，该制备方法中使用的钛、钽、铌、锆、硅的纯度均不低于99.5%，其中锆的质量百分比控制在5～10%，该制备方法中还使用到非自耗真空熔炼炉、真空热处理炉、加热炉，本发明的特征如下：

①按质量百分比将15～30%的钽、10～15%的铌、5～10%的锆、≤1%的硅以及余量钛放入非自耗真空熔炼炉内，对非自耗真空熔炼炉进行抽真空使其真空度≥5×10^-3Pa，其后向非自耗真空熔炼炉内充入高纯氩气，在熔炼温度1600～2800℃对上述钛钽铌锆硅合金进行第一次熔炼至熔化状态，接着随炉冷却至900～1000℃时再加热进行第二次熔炼至熔化状态，其后随炉冷却至900～1000℃时再加热进行第三次熔炼至熔化状态，随后出炉浇铸成钛钽铌锆硅合金铸锭；

②将所述钛钽铌锆硅合金铸锭放在真空热处理炉内进行热处理，真空热处理炉的真空度≥5×10^-3Pa，真空热处理炉的温度控制在900～1000℃，热处理的时间不低于12h，之后所述钛钽铌锆硅合金铸锭随真空热处理炉自然冷却至室温；

③将②热处理的所述钛钽铌锆硅合金铸锭在加热炉内加热至800～900℃，然后在热轧机上进行数次轧制得到厚度为0.5～5mm的片状钛钽铌锆硅合金；

④将③得到的所述片状钛钽铌锆硅合金放在真空热处理炉内进行热处理，此时真空热处理炉的真空度≥3×10^-3Pa，真空热处理炉的温度控制在700～850℃，热处理的时间不低于0.5h，之后对所述片状钛钽铌锆硅合金进行淬火，淬火在冰水中进行，淬火后即可得到生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金。

由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果：

1、根据本发明制备出的生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金，不仅生产成本较低，而且生物相容性较好，为生物医学领域尤其是作为医用植入材料开拓了良好的应用前景。

2、根据本发明制备出的生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金，其弹性模量可以达到40～60GPa，抗拉强度可以达到850～1150MPa，屈服强度可以达到750～1000MPa，断裂延伸率可以达到7～15%。

具体实施方式

 本发明是一种生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金的制备方法，根据本发明制备出的生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金，不仅生产成本较低，而且生物相容性较好。

本发明使用的钛、钽、铌、锆、硅的纯度均不低于99.5%，其中锆的质量百分比控制在5～10%并属于背景技术中锆3～12%内，但钽元素的百分比含量确低于背景技术中钽40～55%，因此降低了生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金的生产成本，非常适用于医用植入材料的制作。

本发明制备方法中还使用到非自耗真空熔炼炉、真空热处理炉以及加热炉。

按质量百分比钽、铌、锆、硅及余量钛的组配比例和合金性能见下表。

上表组配比例的十种实施例按所述技术方案既可得到生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金。

上述钛、钽、铌、锆、硅均为无毒、无过敏性元素，尤其是铌的加入增大了生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金的形状记忆效应和生物相容性，少量硅的加入起到细化合金晶粒的作用，可提高生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金的力学性能。

上述十种实施例对应的生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金的弹性模量控制在40～60GPa之间，相对人骨的弹性模量4～30GPa还是比较接近的，作为医用植入材料能大大降低“应力屏蔽”效应，而抗拉强度、屈服强度及断裂延伸率的不同提高，使本发明制备出的生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金非常适用于医用植入材料的制作，为生物医学领域尤其是作为医用植入材料开拓了良好的应用前景。

Claims (1)

1.一种生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金的制备方法，该制备方法中使用的钛、钽、铌、锆、硅的纯度均不低于99.5%，其中锆的质量百分比控制在5～10%，该制备方法中还使用到非自耗真空熔炼炉、真空热处理炉、加热炉，其特征是：

①按质量百分比将15～30%的钽、10～15%的铌、5～10%的锆、≤1%的硅以及余量钛放入非自耗真空熔炼炉内，对非自耗真空熔炼炉进行抽真空使其真空度≥5×10^-3Pa，其后向非自耗真空熔炼炉内充入高纯氩气，在熔炼温度1600～2800℃对上述钛钽铌锆硅合金进行第一次熔炼至熔化状态，接着随炉冷却至900～1000℃时再加热进行第二次熔炼至熔化状态，其后随炉冷却至900～1000℃时再加热进行第三次熔炼至熔化状态，随后出炉浇铸成钛钽铌锆硅合金铸锭；

②将所述钛钽铌锆硅合金铸锭放在真空热处理炉内进行热处理，真空热处理炉的真空度≥5×10^-3Pa，真空热处理炉的温度控制在900～1000℃，热处理的时间不低于12h，之后所述钛钽铌锆硅合金铸锭随真空热处理炉自然冷却至室温；

③将②热处理的所述钛钽铌锆硅合金铸锭在加热炉内加热至800～900℃，然后在热轧机上进行数次轧制得到厚度为0.5～5mm的片状钛钽铌锆硅合金；

④将③得到的所述片状钛钽铌锆硅合金放在真空热处理炉内进行热处理，此时真空热处理炉的真空度≥3×10^-3Pa，真空热处理炉的温度控制在700～850℃，热处理的时间不低于0.5h，之后对所述片状钛钽铌锆硅合金进行淬火，淬火在冰水中进行，淬火后即可得到生物医用低弹性模量钛钽铌锆硅合金。