CN104831119A - 一种关节用钛合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医用合金材料领域,涉及一种关节用钛合金材料及其制备方法,所述的钛合金材料包括Al、Fe、Zr、Mo、Ni、Cu、Gd、Nd和Ti。制备方法包括以下步骤:(1)将上述的各种金属材料混合至均匀;(2)步骤(1)混合均匀后的金属材料粉末进行高温熔炼,将高温熔炼炉内温度升高至755-795℃,在该温度下高温熔炼120min;(3)再次升高熔炼炉温度,升高炉内温度为1020-1040℃,在该温度下高温熔炼150min;(4)将高温熔炼炉内温度冷却,冷却至温度为615-655℃,温度恒定90min;(5)最后将复合金属材料彻底冷却至室温,为关节用合金材料。
Description
技术领域
本发明属于医用合金材料领域,涉及一种合金材料及其制备方法,特别是涉及一种关节用钛合金材料及其制备方法。
背景技术
钛合金的密度小、比强度、比刚度高,抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好,具有优良的综合性能,是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。近年来,世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展,海绵钛、变形钛合金和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平,在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛,在汽车、化学和能源等行业也有着巨大的应用潜力。
钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性,是非常理想的医用金属材料。钛及其合金凭借优良的综合性能,成为人工关节、骨创伤用品(髓内钉、托板、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内植入产品的首选材料等。常规的关节用钛合金材料的强度并不能较好的满足实际应用的需求,因此需要对其性能进行改进。
发明内容
要解决的技术问题:常规的用于关节的钛合金材料其硬度、弯曲强度和抗压强度较低,在用于关节中时制约了钛合金材料的使用,因此需要对用于关节的钛合金材料的硬度、弯曲强度和抗压强度进行改进,提高钛合金材料的适用性。
技术方案:本发明公开了一种关节用钛合金材料及其制备方法,所述的关节用钛合金金材料按重量包括下述的成分:
Al 5.6wt%-9.4wt%、
Fe 3.6wt%-7.2wt%、
Zr 0.4wt%-0.9wt%、
Mo 0.6wt%-1.3wt%、
Ni 0.4wt%-0.8wt%、
Cu 2.3wt%-2.9wt%、
Gd 0.05wt%-0.25wt%、
Nd 0.05wt%-0.35wt%、
余量为Ti。
进一步的,所述的一种关节用钛合金材料,按重量包括下述的成分:
Al 6.5wt%-8.5wt%、
Fe 4.8wt%-6.6wt%、
Zr 0.5wt%-0.8wt%、
Mo 0.8wt%-1.0wt%、
Ni 0.5wt%-0.7wt%、
Cu 2.4wt%-2.8wt%、
Gd 0.10wt%-0.20wt%、
Nd 0.15wt%-0.30wt%、
余量为Ti。
更进一步的,所述的一种关节用钛合金材料,按重量包括下述的成分:
Al 7.5wt%、
Fe 5.5wt%、
Zr 0.7wt%、
Mo 0.9wt%、
Ni 0.6wt%、
Cu 2.6wt%、
Gd 0.15wt%、
Nd 0.22wt%、
余量为Ti。
一种关节用钛合金材料的制备方法,制备方法包括以下步骤:
(1)按照重量百分比分别取Al为5.6wt%-9.4wt%、Fe为3.6wt%-7.2wt%、Zr为0.4wt%-0.9wt%、
Mo为0.6wt%-1.3wt%、Ni为0.4wt%-0.8wt%、Cu为2.3wt%-2.9wt%、Gd 为0.05wt%-0.25wt%、
Nd为0.05wt%-0.35wt%、余量为Ti,将上述的各种金属材料混合至均匀;
(2)步骤(1)混合均匀后的金属材料粉末进行高温熔炼,将上述的金属粉末材料投入高温熔炼炉中,将高温熔炼炉内温度升高至755-795℃,升温速率为30℃/min,在该温度下高温熔炼120min;
(3)再次升高熔炼炉温度,升高炉内温度为1020-1040℃,升温速率为40℃/min,在该温度下高温熔炼150min;
(4)将高温熔炼炉内温度冷却,冷却至温度为615-655℃,温度恒定90min;
(5)最后将复合金属材料彻底冷却至室温,为关节用合金材料。
进一步的,所述的一种关节用钛合金材料的制备方法,步骤(2)中将高温熔炼炉内温度升高至775℃。
进一步的,所述的一种关节用钛合金材料的制备方法,步骤(3)中再次升高熔炼炉温度,升高炉内温度为1030℃。
进一步的,所述的一种关节用钛合金材料的制备方法,步骤(4)中将高温熔炼炉内温度冷却,冷却至温度为635℃。
进一步的,所述的一种关节用钛合金材料的制备方法,步骤(1)中Gd为0.10wt%-0.20wt%、Nd为0.15wt%-0.30wt%。
更进一步的,所述的一种关节用钛合金材料的制备方法,步骤(1)中Gd为0.15wt%、Nd为0.22wt%。
有益效果:本发明的关节用钛合金材料,在常规的钛合金的基础上,加入了一定量的稀土元素,对于提高钛合金整体的性能有较大的帮助,有效的提高了制备的钛合金材料的硬度、抗压强度和弯曲强度,具备了较为理想的性能后可更加适用于关节用钛合金材料中。Gd和Nd两种元素的加入对提高钛合金材料的强度有较突出的作用。
具体实施方式
实施例1
(1)按照重量百分比分别取Al为9.4wt%、Fe为3.6wt%、Zr为0.9wt%、Mo为0.6wt%、Ni为0.8wt%、Cu为2.3wt%、Gd 为0.25wt%、Nd为0.05wt%、余量为Ti,将上述的各种金属材料混合至均匀;(2)步骤(1)混合均匀后的金属材料粉末进行高温熔炼,将上述的金属粉末材料投入高温熔炼炉中,将高温熔炼炉内温度升高至795℃,升温速率为30℃/min,在该温度下高温熔炼120min;(3)再次升高熔炼炉温度,升高炉内温度为1040℃,升温速率为40℃/min,在该温度下高温熔炼150min;(4)将高温熔炼炉内温度冷却,冷却至温度为655℃,温度恒定90min;(5)最后将复合金属材料彻底冷却至室温,为关节用合金材料。
实施例2
(1)按照重量百分比分别取Al为5.6wt%、Fe为7.2wt%、Zr为0.9wt%、Mo为1.3wt%、Ni为0.4wt%、Cu为2.9wt%、Gd 为0.05wt%、Nd为0.35wt%、余量为Ti,将上述的各种金属材料混合至均匀;(2)步骤(1)混合均匀后的金属材料粉末进行高温熔炼,将上述的金属粉末材料投入高温熔炼炉中,将高温熔炼炉内温度升高至755℃,升温速率为30℃/min,在该温度下高温熔炼120min;(3)再次升高熔炼炉温度,升高炉内温度为1020℃,升温速率为40℃/min,在该温度下高温熔炼150min;(4)将高温熔炼炉内温度冷却,冷却至温度为615℃,温度恒定90min;(5)最后将复合金属材料彻底冷却至室温,为关节用合金材料。
实施例3
(1)按照重量百分比分别取Al为6.5wt%、Fe为4.8wt%、Zr为0.8wt%、Mo为0.8wt%、Ni为0.7wt%、Cu为2.8wt%、Gd 为0.20wt%、Nd为0.15wt%、余量为Ti,将上述的各种金属材料混合至均匀;(2)步骤(1)混合均匀后的金属材料粉末进行高温熔炼,将上述的金属粉末材料投入高温熔炼炉中,将高温熔炼炉内温度升高至795℃,升温速率为30℃/min,在该温度下高温熔炼120min;(3)再次升高熔炼炉温度,升高炉内温度为1040℃,升温速率为40℃/min,在该温度下高温熔炼150min;(4)将高温熔炼炉内温度冷却,冷却至温度为655℃,温度恒定90min;(5)最后将复合金属材料彻底冷却至室温,为关节用合金材料。
实施例4
(1)按照重量百分比分别取Al为8.5wt%、Fe为6.6wt%、Zr为0.5wt%、Mo为1.0wt%、Ni为0.5wt%、Cu为2.4wt%、Gd 为0.10wt%、Nd为0.30wt%、余量为Ti,将上述的各种金属材料混合至均匀;(2)步骤(1)混合均匀后的金属材料粉末进行高温熔炼,将上述的金属粉末材料投入高温熔炼炉中,将高温熔炼炉内温度升高至755℃,升温速率为30℃/min,在该温度下高温熔炼120min;(3)再次升高熔炼炉温度,升高炉内温度为1020℃,升温速率为40℃/min,在该温度下高温熔炼150min;(4)将高温熔炼炉内温度冷却,冷却至温度为615℃,温度恒定90min;(5)最后将复合金属材料彻底冷却至室温,为关节用合金材料。
实施例5
(1)按照重量百分比分别取Al为7.5wt%、Fe为5.5wt%、Zr为0.7wt%、Mo为0.9wt%、Ni为0.6wt%、Cu为2.6wt%、Gd 为0.15wt%、Nd为0.22wt%、余量为Ti,将上述的各种金属材料混合至均匀;(2)步骤(1)混合均匀后的金属材料粉末进行高温熔炼,将上述的金属粉末材料投入高温熔炼炉中,将高温熔炼炉内温度升高至775℃,升温速率为30℃/min,在该温度下高温熔炼120min;(3)再次升高熔炼炉温度,升高炉内温度为1030℃,升温速率为40℃/min,在该温度下高温熔炼150min;(4)将高温熔炼炉内温度冷却,冷却至温度为635℃,温度恒定90min;(5)最后将复合金属材料彻底冷却至室温,为关节用合金材料。
对比例1
(1)按照重量百分比分别取Al为9.4wt%、Fe为3.6wt%、Zr为0.9wt%、Mo为0.6wt%、Ni为0.8wt%、Cu为2.3wt%、Gd 为0.25wt%、余量为Ti,将上述的各种金属材料混合至均匀;(2)步骤(1)混合均匀后的金属材料粉末进行高温熔炼,将上述的金属粉末材料投入高温熔炼炉中,将高温熔炼炉内温度升高至795℃,升温速率为30℃/min,在该温度下高温熔炼120min;(3)再次升高熔炼炉温度,升高炉内温度为1040℃,升温速率为40℃/min,在该温度下高温熔炼150min;(4)将高温熔炼炉内温度冷却,冷却至温度为655℃,温度恒定90min;(5)最后将复合金属材料彻底冷却至室温,为关节用合金材料。
对比例2
(1)按照重量百分比分别取Al为9.4wt%、Fe为3.6wt%、Zr为0.9wt%、Mo为0.6wt%、Ni为0.8wt%、Cu为2.3wt%、Nd为0.05wt%、余量为Ti,将上述的各种金属材料混合至均匀;(2)步骤(1)混合均匀后的金属材料粉末进行高温熔炼,将上述的金属粉末材料投入高温熔炼炉中,将高温熔炼炉内温度升高至795℃,升温速率为30℃/min,在该温度下高温熔炼120min;(3)再次升高熔炼炉温度,升高炉内温度为1040℃,升温速率为40℃/min,在该温度下高温熔炼150min;(4)将高温熔炼炉内温度冷却,冷却至温度为655℃,温度恒定90min;(5)最后将复合金属材料彻底冷却至室温,为关节用合金材料。
上述的实施例1至5和对比例1和2的关节用钛合金材料的硬度、抗压强度和弯曲强度具体情况如下:
硬度 | 抗压强度 | 弯曲强度 | |
实施例1 | 239 | 387 | 325 |
实施例2 | 236 | 394 | 331 |
实施例3 | 251 | 413 | 364 |
实施例4 | 255 | 409 | 356 |
实施例5 | 279 | 458 | 402 |
对比例的钛合金材料数据如下:
硬度 | 抗压强度 | 弯曲强度 | |
对比例1 | 205 | 352 | 294 |
对比例2 | 210 | 356 | 287 |
Claims (9)
1.一种关节用钛合金材料,其特征在于,所述的关节用钛合金金材料按重量包括下述的成分:
Al 5.6wt%-9.4wt%、
Fe 3.6wt%-7.2wt%、
Zr 0.4wt%-0.9wt%、
Mo 0.6wt%-1.3wt%、
Ni 0.4wt%-0.8wt%、
Cu 2.3wt%-2.9wt%、
Gd 0.05wt%-0.25wt%、
Nd 0.05wt%-0.35wt%、
余量为Ti。
2.根据权利要求1所述的一种关节用钛合金材料,其特征在于,所述的关节用钛合金金材料按重量包括下述的成分:
Al 6.5wt%-8.5wt%、
Fe 4.8wt%-6.6wt%、
Zr 0.5wt%-0.8wt%、
Mo 0.8wt%-1.0wt%、
Ni 0.5wt%-0.7wt%、
Cu 2.4wt%-2.8wt%、
Gd 0.10wt%-0.20wt%、
Nd 0.15wt%-0.30wt%、
余量为Ti。
3.根据权利要求1所述的一种关节用钛合金材料,其特征在于,所述的关节用钛合金金材料按重量包括下述的成分:
Al 7.5wt%、
Fe 5.5wt%、
Zr 0.7wt%、
Mo 0.9wt%、
Ni 0.6wt%、
Cu 2.6wt%、
Gd 0.15wt%、
Nd 0.22wt%、
余量为Ti。
4.一种关节用钛合金材料的制备方法,其特征在于所述的关节用钛合金材料的制备方法包括以下步骤:
(1)按照重量百分比分别取Al为5.6wt%-9.4wt%、Fe为3.6wt%-7.2wt%、Zr为0.4wt%-0.9wt%、
Mo为0.6wt%-1.3wt%、Ni为0.4wt%-0.8wt%、Cu为2.3wt%-2.9wt%、Gd 为0.05wt%-0.25wt%、
Nd为0.05wt%-0.35wt%、余量为Ti,将上述的各种金属材料混合至均匀;
(2)步骤(1)混合均匀后的金属材料粉末进行高温熔炼,将上述的金属粉末材料投入高温熔炼炉中,将高温熔炼炉内温度升高至755-795℃,升温速率为30℃/min,在该温度下高温熔炼120min;
(3)再次升高熔炼炉温度,升高炉内温度为1020-1040℃,升温速率为40℃/min,在该温度下高温熔炼150min;
(4)将高温熔炼炉内温度冷却,冷却至温度为615-655℃,温度恒定90min;
(5)最后将复合金属材料彻底冷却至室温,为关节用合金材料。
5.根据权利要求4所述的一种关节用钛合金材料的制备方法,其特征在于所述的制备方法步骤(2)中将高温熔炼炉内温度升高至775℃。
6.根据权利要求4所述的一种关节用钛合金材料的制备方法,其特征在于所述的制备方法步骤(3)中再次升高熔炼炉温度,升高炉内温度为1030℃。
7.根据权利要求4所述的一种关节用钛合金材料的制备方法,其特征在于所述的制备方法步骤(4)中将高温熔炼炉内温度冷却,冷却至温度为635℃。
8.根据权利要求4所述的一种关节用钛合金材料的制备方法,其特征在于所述的制备方法步骤(1)中Gd为0.10wt%-0.20wt%、Nd为0.15wt%-0.30wt%。
9.根据权利要求4所述的一种关节用钛合金材料的制备方法,其特征在于所述的制备方法步骤(1)中Gd为0.15wt%、Nd为0.22wt%。
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