CN105256172A

CN105256172A - 一种改进的医用低模量钛合金及其制备方法

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Publication number: CN105256172A
Application number: CN201510833195.2A
Authority: CN
Inventors: 马凤仓; 刘平; 李伟; 刘新宽; 陈小红; 何代华; 杨丽红; 张柯
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2035-11-26
Also published as: CN105256172B

Abstract

本发明公开了一种改进的医用低模量钛合金，由一个高铌低氧的钛合金基体构成，在高铌低氧的钛合金基体的上面设置有一层低铌高氧的表面层。还提供了上述的一种改进的医用低模量钛合金的制备方法，先对高铌低氧的钛合金样品进行表面清理和打磨，然后制备混合粉末，所述的混合粉末由钛粉、铌粉和二氧化钛粉末组成，在所述的混合粉末中，所述的铌的质量百分比为5～20％，所述的氧的质量百分比为0.3～3％，余量为钛；在一个样品室中，在高铌低氧的钛合金的表面采用激光对混合粉末进行熔覆，熔覆的过程中采用惰性气体保护，熔覆后冷却；最后对钛合金熔覆层进行清理、打磨。本发明使钛合金兼具表面强度硬度高、耐磨性好以及整体弹性模量低的优点。

Description

一种改进的医用低模量钛合金及其制备方法

技术领域

本发明属于材料学领域，涉及一种钛合金，具体来说是一种改进的医用低模量钛合金及其制备方法。

背景技术

目前，骨科、牙科植入物和其它辅助治疗器件对生物医用金属材料性能的要求越来越高。金属植入材料主要包括奥氏体不锈钢、Co-Cr合金、贵金属和钛合金。1940年钛被发现与骨之间无任何不良反应，使钛合金成为了新型生物医用材料。但是，目前普遍应用的医用钛合金Ti-6Al-4V弹性模量为骨弹性模量的4～10倍。如果植入材料与骨之间的弹性模量差异过大，将发生“应力屏蔽”现象，即外载荷主要由植入物承担，不能很好地传递到相邻骨组织，从而导致植入物周围出现骨吸收，最终引起植入物松动、断裂甚至失败。通过对钛合金在基础研究和临床应用中的经验总结，Nb、Ta、Zr、Mo、Sn和Hf等元素添加可用于发展弹性模量低、强度高、耐蚀性好、耐磨性高的新型β钛合金，以适应临床对植入物材料的实际需求。

在新型β钛合金中，Ti-Nb系β钛合金由于具有形状记忆效应，超弹性，低模量，抗腐蚀性能高，生物相容性良好等优点，具有良好的应用前景。但目前的医用低模量β钛合金难以较好地满足医用性能要求，这是由于单一的钛合金难以同时满足低模量和表面高强度高耐磨这一对相互矛盾的性能需求。

经查新，共检索到有关专利如下：

申请号为CN200410092858的专利公开了一种Ti-Nb-Zr钛合金。该Ti-Nb-Zr合金，化学成分为20～35wt％Nb，2～15wt％Zr，余量为Ti和不可避免的杂质元素。该发明提供的钛合金具有良好的冷加工性能和很低的加工硬化率，可以通过冷轧制和冷拔丝等冷加工工艺进行大尺度冷变形。该合金具有超弹性、形状记忆和阻尼功能以及低弹性模量、高强度、耐腐蚀和高人体相容性。

申请号为CN201110001725的专利公开了一种高强度、低模量和高阻尼β钛合金的制备方法。该合金成分为Ti-24Nb-4Zr-8Sn，将该合金在200℃～400℃中温旋锻处理，得到亚微米的晶粒，然后将旋锻后的合金在50℃～150℃轧制处理，进一步细化晶粒，可以制备出强度为1000～1200MPa，模量为40～60GPa，塑性为8～12％的高强度钛合金。

申请号为CN201410079323的专利公开了一种TiNbTaZr低模量钛合金及其表面处理的方法。所述合金含Nb34～36wt%，Zr2.5～3.5wt%，Ta1.5～2.5wt%，余量为Ti。所述方法为，在氩气保护条件下，将表面光滑的TiNbTaZr低模量钛合金固定在搅拌摩擦焊设备的工作台上安装，表面搅拌摩擦处理。该方法处理后的TiNbTaZr低模量钛合金表面具有超细晶结构，高的强度，较好的耐磨性，较好的表面生物相容性。

申请号为CN201310676848的专利公开了一种高强度低模量的亚稳β钛合金牙弓丝。该牙弓丝的名义化学成分按质量百分比计为Mo11%、Nb3%、Zr5%、Sn4%，余量为钛和不可避免的杂质。本发明牙弓丝的生物相容性良好，抗拉强度高，弹性模量低，具有宽泛的弹性范围和良好的回弹性；并且其矫治力比不锈钢丝低，但比镍钛合金丝高，弹性模量仅及不锈钢丝的1/4～1/3，具有比不锈钢丝更宽的弹性范围和矫治位移范围。利用该方法牙弓丝能够获得稳定温和的矫治力和持久缓和的位移，无需或很少更换矫形丝即可实现牙齿的较大位移。

由以上可见，低模量和高的强度高耐磨是医用钛合金应该同时具有的性能。Nb含量对β钛合金的性能有显著影响。一般情况下，在Ti中上加入1%的Nb，马氏体相变温度就会降低20K，有利于获得室温β相，同时合金的超弹性应变随Nb含量的增加而增大，但材料硬度会下降，屈服强度在加载循环数次后，也明显下降。如，对于Ti-Nb-Zr-Ta合金中固定Ta和Zr的量分别为10％(质量分数)和5％，而Nb量分别为20％，25％，30％，35％时，在拉伸实验中合金表现出不同的力学性质。当Nb量为20％和25％时呈现应力诱发马氏体逆相变的形状记忆行为，弹性模量较高；当Nb为30％时呈现超弹性行为；当Nb量为35％时，弹性模量最低同时合金表面硬度和耐磨性下降。

此外，氧元素能显著增加钛合金的弹性变形量和合金强度。氧含量0.3％时，合金的弹性应变仅为1。要获得良好的弹性性能，氧含量不得低于0.7％。当氧含量为1％时，弹性应变增大到2.5。氧含量对强度的影响非常明显。氧含量为3%固溶合金的抗拉强度可达1600MPa，时效处理后强度增加到2000MPa。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种改进的医用低模量钛合金及其制备方法，所述的这种改进的医用低模量钛合金及其制备方法解决了现有技术中单一的钛合金难以同时满足低模量和表面高强度高耐磨的技术问题。

本发明提供了一种改进的医用低模量钛合金，由一个高铌低氧的钛合金基体构成，在所述的高铌低氧的钛合金基体的上面设置有一层低铌高氧的表面层，在所述的高铌低氧的钛合金基体中，所述的铌的质量百分比为20～40％，所述的氧的质量百分比为0.01～0.2％，所述的低铌高氧的表面层由钛、铌和二氧化钛混合粉末制备而成，在所述的低铌高氧的表面层中，所述的铌的质量百分比为5～20％，所述的氧的质量百分比为0.3～3％，余量为钛。

本发明还提供了上述的一种改进的医用低模量钛合金的制备方法，包括如下步骤：

1)一个对高铌低氧的钛合金样品进行表面清理、打磨的步骤；

2)一个制备混合粉末的步骤，所述的混合粉末由钛粉、铌粉和二氧化钛粉末组成，在所述的混合粉末中，所述的铌的质量百分比为5～20％，所述的氧的质量百分比为0.3～3％，余量为钛；

3)在一个样品室中，在高铌低氧的钛合金的表面采用激光对混合粉末进行熔覆，熔覆的过程中采用惰性气体保护，激光功率为1~2Kw，光斑直径70um，扫描速度为100~150mm/s，样品室的温度在70~90℃,熔覆后冷却；

4)对钛合金熔覆层进行清理、打磨。

进一步的，所述的熔覆层厚度在100～500um之间。

具体的，在所述的高铌低氧的钛合金基体中，除了铌和氧元素外，还有钛和其它金属。此属于常规技术，在此不再赘述。

本发明改进的医用低模量钛合金的弹性模量为49GPa～62GPa。当基体合金表面显微硬度为HV210～HV260时，经本发明处理后，表面层显微硬度明显提高，达到HV320～HV460。本发明的医用低模量钛合金的梯度表面层使钛合金兼具低模量和表面高强度高耐磨的优点，低模量的基体可以避免“应力屏蔽”，而高强度的表面层可以满足表面强度硬度高、耐磨性好。

本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明利用钛合金中铌、氧元素对钛合金性能的影响发明了一种兼具表面高强耐磨的医用低模量钛合金梯度表面层。本发明的梯度表面层，兼具表面强度硬度高、耐磨性好和钛材料整体弹性模量低的优点，避免了一般钛合金弹性模量高或表面强度、耐磨性低的不利影响，可以更好地满足医用要求。同时，本发明的方法制备效率高、成本低的特点。

附图说明

图1是本发明的一种改进的医用低模量钛合金的结构示意图。

图2是应用实施例2所得的表面层形貌图。

图3是应用实施例2所得的表面层截面形貌图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。

本发明所用材料：Ti-20Nb-3Zr-2Ta-0.01O和Ti-40Nb-3Zr-2Ta-0.2O合金。

激光处理设备：YLR-4x200-SM(IPGPhotonicsCorporation)。

显微硬度计：HXD-1000TM/LCD。

拉伸试验机：Zwick100，10吨自动拉伸试验机。

实施例1

本发明提供了一种改进的医用低模量钛合金，由一个高铌低氧的钛合金基体1构成，在所述的高铌低氧的钛合金基体1上设置有一层低铌高氧的表面层2。

进一步的，在所述的高铌低氧的钛合金基体1中，所述的铌的质量百分比为20～40％，所述的氧的质量百分比为0.01～0.2％

进一步的，所述的低铌高氧的表面层2由钛、铌和二氧化钛混合粉末制备而成，在所述的低铌高氧的表面层中，所述的铌的质量百分比为5～20％，所述的氧的质量百分比为0.3～3wt％，余量为钛。

实施例2

30mm×30mm×15mm的Ti-20Nb-3Zr-2Ta-0.01O合金样品经表面清理、打磨。混合钛粉、铌粉和二氧化钛粉末，在该混合粉末中铌占5wt％，氧占0.3wt％，钛余量。熔覆层厚度为100um.

辐射源为连续波长的镱纤维激光源，工作时采用1.075um波长，1.0kW功率。熔覆层表面激光斑尺寸为70um。样品室采用氩气保护.扫描速度为100mm/s,样品室的温度固定在70℃。熔覆后冷却，样品表面清理，打磨。

钛合金基体的弹性模量经拉伸试验测定为62GPa。基体和表面层硬度经显微硬度测试分别为HV215，HV320。表面层形貌如图2所示，截面形貌如图3所示。

实施例3

30mm×30mm×15mm的Ti-40Nb-3Zr-2Ta-0.2O合金经表面清理、打磨。混合钛粉、铌粉和二氧化钛粉末，在该混合粉末中铌占20wt％，氧占3wt％，钛余量。熔覆层厚度为500um.

辐射源为连续波长的镱纤维激光源，工作时采用1.075um波长，2.0kW功率。熔覆层表面激光斑尺寸为70um。样品室采用氩气保护.扫描速度为150mm/s,样品室的温度固定在90℃。熔覆后冷却，样品表面清理，打磨。

钛合金基体的弹性模量经拉伸试验测定为49GPa。基体和表面层硬度经显微硬度测试分别为HV210，HV460。

Claims

1.一种改进的医用低模量钛合金，其特征在于：由一个高铌低氧的钛合金基体构成，在所述的高铌低氧的钛合金基体的上面设置有一层低铌高氧的表面层，在所述的高铌低氧的钛合金基体中，所述的铌的质量百分比为20～40％，所述的氧的质量百分比为0.01～0.2％，所述的低铌高氧的表面层由钛、铌和二氧化钛混合粉末制备而成，在所述的低铌高氧的表面层中，所述的铌的质量百分比为5～20％，所述的氧的质量百分比为0.3～3％，余量为钛。

2.如权利要求1所述的一种改进的医用低模量钛合金，其特征在于：所述的熔覆层厚度在100~500um之间。

3.权利要求1所述的一种改进的医用低模量钛合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）一个对高铌低氧的钛合金样品进行表面清理、打磨的步骤；

2）一个制备混合粉末的步骤，所述的混合粉末由钛粉、铌粉和二氧化钛粉末组成，在所述的混合粉末中，所述的铌的质量百分比为5～20％，所述的氧的质量百分比为0.3～3％，余量为钛；

3）在一个样品室中，在高铌低氧的钛合金的表面采用激光对混合粉末进行熔覆，熔覆的过程中采用惰性气体保护，激光功率为1~2Kw，光斑直径70um，扫描速度为100~150mm/s，样品室的温度在70~90℃,熔覆后冷却；

4）对钛合金熔覆层进行清理、打磨。

4.如权利要求3所述的一种改进的医用低模量钛合金的制备方法，其特征在于：所述的熔覆层厚度在100~500um之间。