CN105714149A - 一种超弹性低弹性模量钛合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超弹性低弹性模量钛合金材料及其制备方法和应用,属于生物医用材料领域。该合金材料由铌、锆、氧和钛组成,其原子百分比组成为铌18%,锆10~13%,氧0.5~1.5%,余量为钛。采用真空非自耗电弧炉熔炼加固溶处理、冷轧、短时退火处理,获得的材料的室温超弹性为2.5~4.5%,弹性模量为50~60GPa,延伸率为6~20%,适合于做支架、牙弓丝等生物医用材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种超弹性低弹性模量钛合金材料及其制备方法和应用,特别涉及一种超弹性低弹模Ti-Nb-Zr-O合金材料及其制备方法和应用,属于生物医用材料领域。
背景技术
TiNi合金由于具有优异的形状记忆效应和超弹性,在齿科、介入治疗等医用领域得到广泛应用,但是Ni具有生物毒性,可引起神经紊乱等症状。为了避免Ni的生物毒性,各国相继开发无镍生物医用材料,以期替代TiNi合金。钛合金由于具有比强度高、生物相容性好、抗腐蚀性能优异,以及冷成型性能好等优点受到广泛关注。大量研究表明,Nb、Ta、Zr、Mo、Sn等元素具有良好的生物相容性,因此,Ti-Nb、Ti-Mo、Ti-Ta系等完全由生物安全元素组成的β钛合金成为研究重点。
在Ti-Nb二元系合金中,当Nb含量超过25at%时,合金呈现超弹性,但是超弹性较低,这主要是由于合金的临界滑移应力低导致的,因此需要强化合金。
发明内容
本发明的目的是提出一种超弹性、低弹性模量、生物相容性好的轧制Ti-Nb-Zr-O合金及其制备方法,该合金可以广泛用于制作牙弓丝、支架等生物医用材料。
一种低弹性模量高强钛合金材料,具体为Ti-Nb-Zr-O合金材料,该合金材料由铌、锆、氧和钛组成,其原子百分比组成为铌18%,锆10~13%,氧0.5~1.5%,余量为钛,并且上述各成分的含量之和为100%。
本发明将Zr添加到Ti-Nb合金中,可以有效的降低合金的马氏体相变温度,提高合金的临界滑移应力。O作为间隙原子,对于提高Ti-Nb合金的临界滑移应力也十分有效,但是O添加过量对于合金的塑性不利,因此本发明控制了O的添加量。
经过冷轧和退火处理后,本发明合金的室温超弹性为2.5~4.5%,弹性模量为50~60GPa,延伸率为6~20%。
本发明低弹性模量高强钛合金材料的制备方法,包括如下工艺步骤:
(1)采用钛、铌、锆和二氧化钛为原料,按照上述配比进行配料,将称取的原料放入非自耗真空电弧炉内熔炼成Ti-Nb-Zr-O合金铸锭;
(2)将制得的Ti-Nb-Zr-O合金进行固溶处理,水淬;
(3)将固溶处理后的合金进行冷轧,变形量≥75%,在空气中进行;
(4)将冷轧板材进行退火处理,空冷,获得完全β相组织。
步骤(1)中,铌优选为钛铌中间合金Ti-45Nb等。
步骤(2)中,所述的固溶处理的温度为800~880℃,时间为1~2小时。
步骤(4)中,所述的退火处理的温度为500~600℃,时间为0.5~1h。
上述合金材料由于具有超弹性、低弹性模量及较好的生物相容性,可用作生物医用材料,如用于制作牙弓丝、支架等。
本发明的超弹性低弹模Ti-Nb-Zr-O合金,在保证钛合金马氏体相变点低于室温的情况下,降低Nb、增加Zr和O,可降低熔炼难度,且组分都为无毒元素,对人体无害,可作为生物医用材料。采用真空非自耗电弧炉熔炼加固溶处理、冷轧、短时退火处理,获得的材料的室温超弹性为2.5~4.5%,弹性模量为50~60GPa,延伸率为6~20%,适合于做支架、牙弓丝等生物医用材料。
附图说明
图1是Ti-18Nb-13Zr-0.5O合金退火态X射线衍射图谱。
图2是Ti-18Nb-13Zr-0.5O合金退火态室温拉伸加载卸载应力-应变曲线。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1:制备Ti-18Nb-10Zr-0.5O合金材料
(1)Ti-18Nb-10Zr-0.5O合金,原材料为0级海绵Ti、火器级海绵Zr、Ti-45Nb中间合金、TiO2粉末,按照成分配比进行配料,经非自耗真空电弧炉熔炼,充分搅拌,熔炼次数为3~5次,得到Ti-18Nb-10Zr-0.5O铸锭;
(2)将上述制得的Ti-18Nb-10Zr-0.5O合金进行线切割,放入热处理炉内进行热处理,热处理温度850℃下保温1小时后,水淬。
(3)将固溶处理后的合金进行冷轧,变形量90%,在空气中进行;即可得到Ti-18Nb-10Zr-0.5O板材;
(4)将冷轧板材在600℃进行0.5h退火处理,空冷,获得完全β相组织。
材料性能:室温超弹性2.5%,弹性模量60GPa,延伸率18%.
实施例2:制备Ti-18Nb-10Zr-1.5O合金材料
(1)Ti-18Nb-10Zr-1.5O合金,原材料为0级海绵Ti、火器级海绵Zr、Ti-45Nb中间合金、TiO2粉末,按照成分配比进行配料,经非自耗真空电弧炉熔炼,充分搅拌,熔炼次数为3~5次,得到Ti-18Nb-10Zr-1.5O铸锭;
(2)将上述制得的Ti-18Nb-10Zr-1.5O合金进行线切割,放入热处理炉内进行热处理,热处理温度850℃下保温1.5小时后,水淬。
(3)将固溶处理后的合金进行冷轧,变形量80%,在空气中进行;即可得到Ti-18Nb-10Zr-1.5O板材;
(4)将冷轧板材在580℃进行1h退火处理,空冷,获得完全β相组织。
材料性能:室温超弹性3%,弹性模量58GPa,延伸率10%。
实施例3:制备Ti-18Nb-13Zr-0.5O合金材料
(1)Ti-18Nb-13Zr-0.5O合金,原材料为0级海绵Ti、火器级海绵Zr、Ti-45Nb中间合金、TiO2粉末,按照成分配比进行配料,经非自耗真空电弧炉熔炼,充分搅拌,熔炼次数为3~5次,得到Ti-18Nb-13Zr-0.5O铸锭;
(2)将上述制得的Ti-18Nb-13Zr-0.5O合金进行线切割,放入热处理炉内进行热处理,热处理温度800℃下保温1.5小时后,水淬。
(3)将固溶处理后的合金进行冷轧,变形量85%,在空气中进行;即可得到Ti-18Nb-13Zr-0.5O板材;
(4)将冷轧板材在500℃进行0.5h退火处理,空冷,获得完全β相组织。
材料性能:室温超弹性3.3%,弹性模量53GPa,延伸率20%.
如图1所示,为Ti-18Nb-13Zr-0.5O合金退火态X射线衍射图谱,可以看到此时合金为完全β相组织。如图2所示,为Ti-18Nb-13Zr-0.5O合金退火态室温拉伸加载卸载应力-应变曲线。合金的超弹性为3.3%
实施例4:制备Ti-18Nb-13Zr-1.5O合金材料
(1)Ti-18Nb-13Zr-1.5O合金,原材料为0级海绵Ti、火器级海绵Zr、Ti-45Nb中间合金、TiO2粉末,按照成分配比进行配料,经非自耗真空电弧炉熔炼,充分搅拌,熔炼次数为3~5次,得到Ti-18Nb-13Zr-1.5O铸锭;
(2)将上述制得的Ti-18Nb-13Zr-1.5O合金进行线切割,放入热处理炉内进行热处理,热处理温度820℃下保温2小时后,水淬。
(3)将固溶处理后的合金进行冷轧,变形量75%,在空气中进行;即可得到Ti-18Nb-13Zr-1.5O板材;
(4)将冷轧板材在530℃进行1h退火处理,空冷,获得完全β相组织。
材料性能:室温超弹性4%,弹性模量50GPa,延伸率6%.
实施例5:制备Ti-18Nb-11Zr-1O合金材料
(1)Ti-18Nb-11Zr-1O合金,原材料为0级海绵Ti、火器级海绵Zr、Ti-45Nb中间合金、TiO2粉末,按照成分配比进行配料,经非自耗真空电弧炉熔炼,充分搅拌,熔炼次数为3~5次,得到Ti-18Nb-11Zr-1O铸锭;
(2)将上述制得的Ti-18Nb-11Zr-1O合金进行线切割,放入热处理炉内进行热处理,热处理温度850℃下保温1小时后,水淬。
(3)将固溶处理后的合金进行冷轧,变形量85%,在空气中进行;即可得到Ti-18Nb-11Zr-1O板材;
(4)将冷轧板材在550℃进行1h退火处理,空冷,获得完全β相组织。
材料性能:室温超弹性4.5%,弹性模量55GPa,延伸率14%。
本发明的超弹性低模量Ti-Nb-Zr-O合金材料,采用真空非自耗电弧炉熔炼成Ti-Nb-Zr-O铸锭,将铸锭在800~880℃固溶处理,水淬;然后将铸锭进行冷轧,变形率大于75%;将冷轧板材在500~600℃进行0.5~1h退火处理,空冷,获得室温超弹性为2.5~4.5%,弹性模量为50~60GPa,延伸率6~20%的超弹性低弹模钛合金,该合金可以广泛用于牙弓丝、支架及其他医疗器件。
Claims (6)
1.一种低弹性模量高强钛合金材料,其特征在于:该合金材料由铌、锆、氧和钛组成,其原子百分比组成为铌18%,锆10~13%,氧0.5~1.5%,余量为钛。
2.如权利要求1所述的低弹性模量高强钛合金材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)采用钛、铌、锆和二氧化钛为原料,按照配比进行配料,将称取的原料放入非自耗真空电弧炉内熔炼成Ti-Nb-Zr-O合金铸锭;
(2)将制得的Ti-Nb-Zr-O合金进行固溶处理,水淬;
(3)将固溶处理后的合金进行冷轧,变形量≥75%,在空气中进行;
(4)将冷轧板材进行退火处理,空冷,获得完全β相组织。
3.如权利要求2所述的低弹性模量高强钛合金材料的制备方法,其特征在于:所述的固溶处理的温度为800~880℃,时间为1~2小时。
4.如权利要求2所述的低弹性模量高强钛合金材料的制备方法,其特征在于:所述的退火处理的温度为500~600℃,时间为0.5~1h。
5.如权利要求2所述的低弹性模量高强钛合金材料的制备方法,其特征在于:铌为钛铌中间合金。
6.如权利要求1所述的低弹性模量高强钛合金材料在生物医用材料中的应用。
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