CN104651829B - 一种生物医用Ti-Sn涂覆层合金和医用牙科合金的制备方法 - Google Patents
一种生物医用Ti-Sn涂覆层合金和医用牙科合金的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的一种生物医用Ti‑Sn涂覆层合金制备方法，将5～40％含量的Sn，余量为Ti的两元素混合置于熔炼炉内，熔炼得到Ti‑Sn合金铸锭，采用模冷法进行真空吸铸得到高强度，高耐磨Ti‑Sn合金片作为生物医用涂覆层，其医用牙科合金的制备方法中将采用钛合金作为基体，用上述方法制备出的Ti‑Sn涂覆层合金熔覆在其表面，在保持基体钛合金高强度、低弹性模量和优异形状记忆性能的基础上也提高了形状记忆钛合金表面硬度和耐磨性。
Description
技术领域
本发明属于一种生物医用钛合金材料，特别涉及生物医用Ti-Sn涂覆层合金及医用牙科合金的制备方法。
背景技术
随着人类生活水平提高和科学技术的发展，社会对人体植入硬组织材料需求越来越高。钛合金具有优异的人体相容性，强度高，逐渐替代医用不锈钢、钴基合金成硬组织替代材料，如髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等人工关节，髓内钉、钢板、螺钉等骨创伤产品，牙种植体、托槽、牙矫形丝，脊柱矫形内固定系统，人工心脏瓣膜、介入性心血管支架，就综合性能而言，目前还没有比钛合金更好的医用植入金属材料。
但是由于钛合金硬度和耐磨性不高，一直影响其在牙科方面的使用，现有常规采用的钛合金中，纯钛的硬度约150-200HV，NiTi合金硬度不唯一但低于300HV，而专利CN103014389 A提供的TiNbMoSn形状记忆性合金其硬度约为256HV，而上述钛合金硬度与牙齿需要的高硬度还是有一定差距，无法作为假牙，桥樑和植入物等；另外其耐磨性能比较差会导致其使用寿命变短。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术中所提到的问题，提供了一种生物医用Ti-Sn涂覆层合金制备方法，其制备出的Ti-Sn涂覆层合金具有高硬度，高耐磨的优点，其医用牙科合金的制备方法中将采用上述方法制备出的Ti-Sn涂覆层合金熔覆在其表面，在保持基体钛合金高强度、低弹性模量和优异形状记忆性能的基础上提高了其表面硬度和耐磨性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种生物医用Ti-Sn涂覆层合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将Sn元素、Ti元素混合置于真空熔炼炉内，熔炼得到Ti-Sn合金铸锭，其两元素的质量配比为，Sn元素含量5～40％，余量为Ti；
B、将步骤A得到的Ti-Sn合金铸锭采用模冷法进行真空吸铸得到Ti-Sn合金片，模冷法快速凝固处理的冷却速率为104～106K/s。
进一步地，步骤A中，Sn元素、Ti元素混合置于真空熔炼炉内，熔炼时将Ti元素对Sn元素进行覆盖，并在真空熔炼炉内反复熔炼5-8次得到Ti-Sn合金铸锭。
进一步地，所述生物医用Ti-Sn涂覆层合金，硬度为320～480HV，摩擦系数为0.4～0.6。
一种医用牙科合金的制备方法，其步骤在于：
1)、取钛合金作为牙科合金基体；
2)、按照如权利要求1-3中任意一项所述的生物医用Ti-Sn涂覆层合金的制备方法制备出Ti-Sn合金片；
3)、将步骤2)制成的Ti-Sn合金片打磨成约为0.5mm合金薄片；
4)、将步骤1)中取得的钛合金，打磨表面氧化层后放置于激光器载物台上，将步骤3)制成的Ti-Sn合金薄片放置于钛合金上，使用激光熔覆技术将Ti-Sn合金薄片熔覆于钛合金表面即可。
进一步地，步骤4)中激光熔覆技术的参数为：功率为2000～2500W，扫描速率为500～800mm/min，光斑直径为2～6mm。
进一步地，步骤3)中将步骤2)制成的Ti-Sn合金片用电火花线切割机切成薄片后，采用金相砂纸将切出的Ti-Sn合金薄片打磨成约为0.5mm合金薄片。
进一步地，所述钛合金为Ti-Nb-Mo-Sn合金。
进一步地，所述Ti-Nb-Mo-Sn合金的制备方法为：
a、选取Ti元素平均分为三份，分别与Nb元素，Mo元素和Sn元素置于真空熔炼炉熔炼得到Ti-Nb合金，Ti-Mo合金和Ti-Sn合金；
b、将得到的Ti-Nb合金，Ti-Mo合金和Ti-Sn合金置于一起抽真空后再充氩气保护，在真空熔炼炉内熔炼，最后采用模冷法进行真空吸铸并得到Ti-Nb-Mo-Sn合金片，模冷法快速凝固处理的冷却速率为104～106K/s；各金属组分的质量配比为：Nb为11-15％，Mo为6-8％，Sn为2-5％，余量为Ti；
c、将步骤b中得到的合金片在液氮冷却下采用双辊轧机低温轧制，轧制变形量为85％～95％；低温轧制温度范围-160～-90℃，采用液氮喷淋来保持低温；轧制应变率为2.9～7.5s-1；
d、将步骤c中得到的合金片在873～1073K，氩气保护下时效1～360s，水淬至室温即可。
进一步地，所述Ti-Nb-Mo-Sn合金片的合金硬度为200～280HV，摩擦系数为0.6-0.8。
进一步地，所述用于医用牙科的形状记忆钛合金，硬度为320～480HV，摩擦系数为0.4～0.6。
本发明提供了一种生物医用Ti-Sn涂覆层合金制备方法，其制备出的Ti-Sn涂覆层合金具有高硬度，高耐磨的优点，Sn为无毒无致敏性的元素，采用真空熔炼炉熔炼制备，Ti覆盖Sn，熔炼时高温快速，减少Sn元素的挥发，采用模冷法吸铸钛合金，冷却速度快，合金晶粒细小，进一步提高合金硬度及其耐磨性能，其医用牙科合金的制备方法中将采用上述方法制备出的Ti-Sn涂覆层合金熔覆在其表面，在保持基体钛合金高强度、低弹性模量和优异形状记忆性能的基础上提高了其表面硬度和耐磨性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基体Ti-Nb-Mo-Sn、熔覆层Ti-10Sn、用于医用牙科的形状记忆钛合金的三者摩擦曲线图，纵坐标为摩擦系数，红色为Ti-10Sn其摩擦系数为0.4-0.6，枚红色为激光熔敷后钛合金其摩擦系数为0.4-0.6，黑色为基体Ti-Nb-Mo-Sn其摩擦系数为0.6-0.8；
图2为用于医用牙科的形状记忆钛合金的截面硬度趋势图，Coating为Ti-10Sn、diffusion zone为过渡区、substrate为Ti-Nb-Mo-Sn；
图3为用于医用牙科的形状记忆钛合金的截面SEM图，Coating为Ti-10Sn、diffusion zone为过渡区、substrate为Ti-Nb-Mo-Sn。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例中的生物医用Ti-Sn涂覆层合金制备方法过程中，按照重量百分比，6Sn，Ti余量称量，将Ti覆盖Sn，置于真空熔炼炉熔炼得到Ti-Sn合金铸锭，在真空熔炼炉内重复熔炼五次，在水冷铜模瞬间吸铸，得到12mm长，5mm厚的合金片；模冷法快速凝固处理的冷却速率为106K/s；制备出的合金最终硬度为380HV，摩擦系数为0.49。
一种医用牙科合金的制备方法中，
1)、取钛合金作为牙科合金基体；
2)、按照如权利要求1-3中任意一项所述的生物医用Ti-Sn涂覆层合金的制备方法制备出Ti-Sn合金片；
3)、将步骤2)制成的Ti-Sn合金片打磨成约为0.5mm合金薄片；
4)、将步骤1)中取得的钛合金，打磨表面氧化层后放置于激光器载物台上，将步骤3)制成的Ti-Sn合金薄片放置于钛合金上，使用激光熔覆技术将Ti-Sn合金薄片熔覆于钛合金表面即可。
用于医用牙科的形状记忆钛合金的表层硬度约为380HV，摩擦系数约为0.49，其硬度和摩擦系数可因激光激光熔覆产生细微变化。
激光熔覆技术的参数为：功率为2000～2500W，扫描速率为500～800mm/min，光斑直径为2～6mm。
本实施例，步骤3)中将步骤2)制成的Ti-Sn合金片用电火花线切割机切成薄片后，采用金相砂纸将切出的Ti-Sn合金薄片打磨成约为0.5mm合金薄片。
本实施例钛合金基底可采用纯钛、NiTi合金、Ti-Nb-Mo-Sn合金等，本实施例中以Ti-Nb-Mo-n合金为例，具体其Ti-Nb-Mo-n合金制备方法为：
a、选取Ti元素平均分为三份，分别与Nb元素，Mo元素和Sn元素置于真空熔炼炉熔炼得到Ti-Nb合金，Ti-Mo合金和Ti-Sn合金；
b、将得到的Ti-Nb合金，Ti-Mo合金和Ti-Sn合金置于一起抽真空后再充氩气保护，在真空熔炼炉内熔炼，最后采用模冷法进行真空吸铸并得到Ti-Nb-Mo-Sn合金片，模冷法快速凝固处理的冷却速率为104～106K/s；各金属组分的质量配比为：Nb为11-15％，Mo为6-8％，Sn为2-5％，余量为Ti；
c、将步骤b中得到的合金片在液氮冷却下采用双辊轧机低温轧制，轧制变形量为85％～95％；低温轧制温度范围-160～-90℃，采用液氮喷淋来保持低温；轧制应变率为2.9～7.5s-1；
d、将步骤c中得到的合金片在873～1073K，氩气保护下时效1～360s，水淬至室温即可。
通过此方法制备的Ti-Nb-Mo-Sn合金片硬度为275HV，其具有高强度、低弹性模量和优异形状记忆性能的优点，本实施例的用于医用牙科的形状记忆钛合金的制备方法中，以Ti-Nb-Mo-Sn合金片作为牙科基体，将按照生物医用Ti-Sn涂覆层合金制备方法制备出的Ti-Sn合金用激光熔覆技术熔覆于基Ti-Nb-Mo-Sn合金片表面，提高其硬度与耐磨性能，同时保持基体高强度、良好的加工性能、低弹性模量和优异形状记忆性能。
实施例2：
本实施例中的生物医用Ti-Sn涂覆层合金制备方法过程中，按照重量百分比，8Sn，Ti余量称量，将Ti覆盖Sn，置于真空熔炼炉熔炼得到Ti-Sn合金铸锭，在真空熔炼炉内重复熔炼五次，在水冷铜模瞬间吸铸，得到12mm长，5mm厚的合金片；模冷法快速凝固处理的冷却速率为106K/s；制备出的合金最终硬度为388HV，摩擦系数为0.47。
其一种医用牙科合金的制备方法如实施例1。
实施例3：
本实施例中的生物医用Ti-Sn涂覆层合金制备方法过程中，按照重量百分比，9Sn，Ti余量称量，将Ti覆盖Sn，置于真空熔炼炉熔炼得到Ti-Sn合金铸锭，在真空熔炼炉内重复熔炼五次，在水冷铜模瞬间吸铸，得到12mm长，5mm厚的合金片；模冷法快速凝固处理的冷却速率为106K/s；制备出的合金最终硬度为396HV，摩擦系数为0.45。
其一种医用牙科合金的制备方法如实施例1。
实施例4：
本实施例中的生物医用Ti-Sn涂覆层合金制备方法过程中，按照重量百分比，10Sn，Ti余量称量，将Ti覆盖Sn，置于真空熔炼炉熔炼得到Ti-Sn合金铸锭，在真空熔炼炉内重复熔炼五次，在水冷铜模瞬间吸铸，得到12mm长，5mm厚的合金片；模冷法快速凝固处理的冷却速率为106K/s；制备出的合金最终硬度为430HV，摩擦系数为0.41。
其一种医用牙科合金的制备方法如实施例1。
实施例5：
本实施例中的生物医用Ti-Sn涂覆层合金制备方法过程中，按照重量百分比，20Sn，Ti余量称量，将Ti覆盖Sn，置于真空熔炼炉熔炼得到Ti-Sn合金铸锭，在真空熔炼炉内重复熔炼五次，在水冷铜模瞬间吸铸，得到12mm长，5mm厚的合金片；模冷法快速凝固处理的冷却速率为106K/s制备出的合金最终硬度为330HV，摩擦系数为0.52。
其一种医用牙科合金的制备方法如实施例1。
Claims (1)
1.一种医用牙科合金的制备方法，其特征在于，其步骤在于：
1)、取钛合金作为牙科合金基体；所述钛合金为Ti-Nb-Mo-Sn合金；所述Ti-Nb-Mo-Sn合金片的合金硬度为200～280HV，摩擦系数为0.6-0.8；所述Ti-Nb-Mo-Sn合金的制备方法为：
a、选取Ti元素平均分为三份，分别与Nb元素，Mo元素和Sn元素置于真空熔炼炉熔炼得到Ti-Nb合金，Ti-Mo合金和Ti-Sn合金；
b、将得到的Ti-Nb合金，Ti-Mo合金和Ti-Sn合金置于一起抽真空后再充氩气保护，在真空熔炼炉内熔炼，最后采用模冷法进行真空吸铸并得到Ti-Nb-Mo-Sn合金片，模冷法快速凝固处理的冷却速率为104～106K/s；各金属组分的质量配比为：Nb为11-15％，Mo为6-8％，Sn为2-5％，余量为Ti；
c、将步骤b中得到的合金片在液氮冷却下采用双辊轧机低温轧制，轧制变形量为85％～95％；低温轧制温度范围-160～-90℃，采用液氮喷淋来保持低温；轧制应变率为2.9～7.5s-1；
d、将步骤c中得到的合金片在873～1073K，氩气保护下时效1～360s，水淬至室温即可；
2)、按照下述生物医用Ti-Sn涂覆层合金的制备方法制备出Ti-Sn合金片：
A、将Sn元素、Ti元素混合置于真空熔炼炉内，熔炼得到Ti-Sn合金铸锭，其两元素的质量配比为，Sn元素含量40％，余量为Ti；熔炼时将Ti元素对Sn元素进行覆盖，并在真空熔炼炉内反复熔炼5-8次得到Ti-Sn合金铸锭；
B、将步骤A得到的Ti-Sn合金铸锭采用模冷法进行真空吸铸得到Ti-Sn合金片，模冷法快速凝固处理的冷却速率为104～106K/s；
所述生物医用Ti-Sn涂覆层合金，硬度为320～480HV，摩擦系数为0.4～0.6；
3)、将步骤2)制成的Ti-Sn合金片用电火花线切割机切成薄片后，采用金相砂纸将切出的Ti-Sn合金薄片打磨成约为0.5mm合金薄片；
4)、将步骤1)中取得的钛合金，打磨表面氧化层后放置于激光器载物台上，将步骤3)制成的Ti-Sn合金薄片放置于钛合金上，使用激光熔覆技术将Ti-Sn合金薄片熔覆于钛合金表面即可；所述激光熔覆技术的参数为：功率为2000～2500W，扫描速率为500～800mm/min，光斑直径为2～6mm。
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