CN105925845B - 一种高强度、高塑性、耐腐蚀钛合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度、高塑性、耐腐蚀钛合金及其制备方法和应用，属于钛合金技术领域。该钛合金将一定质量分数比例的铜(2.6‑4.9％)添加入钛中混合熔炼之后，再经过一系列的热处理工艺，从而在钛合金的基体上析出弥散的钛铜相达到抗菌的目的。并且其力学性能、腐蚀性能、生物相容性都达到显著提高，可以广泛应用于骨科、口腔科等医学临床领域中的各类钛合金的医疗器械中。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金技术领域，具体涉及一种高强度、高塑性、耐腐蚀钛合金及其制备方法和应用，该钛合金可以作为结构材料应用，也可以作为一种医用材料应用。
背景技术
钛合金具有良好的力学性能、良好的耐腐蚀性能和良好的高温性能，密度较低，因此，被广泛地应用于航天航空等军事工业，也广泛地应用于医疗器械的制备中，例如，外科的人工关节。齿科中钛及钛合金的应用更加广泛，如人造牙根，牙齿矫正丝、臼齿用齿冠桥、金属牙床、牙托、颚骨植入材等。
在常规的应用中，钛合金价格高、熔炼温度高以及成型困难成为影响钛合金应用的一个主要因素。而医疗器械应用中，另外一个重要的特征就是耐腐蚀性能。已经有证据显示钛元素具有良好的生物相容性，但是其他合金化元素，比如常用的Al、V等元素就存在潜在的生物安全性。因此，降低钛合金的成本、降低熔炼温度、提高合金的耐蚀性能，以及选择尽量少的合金化元素成为钛合金常规应用的一种趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度、高塑性、耐腐蚀钛合金及其制备方法和应用，该钛合金具有高强度、良好耐蚀性能、良好变形塑性、良好生物相容性以及一定抗菌性能，即可用于常规的结构用钛合金，也可以应用于医疗器械的制备，能够解决现有临床中由医用钛合金医疗器械植入引发的细菌感染等问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高强度、高塑性、耐腐蚀钛合金，按重量百分含量计，该钛合金化学成分为：Cu：2.6-4.9％，其余为Ti。该钛合金化学成分优选范围为：Cu：2.8-4.2％，其余为Ti。
具有上述化学成分的钛合金经热处理后，Cu元素以固溶和弥散分布的Ti2Cu相的方式存在于钛合金中。
该钛合金的抗拉强度为387.42～1318.14MPa，屈服强度为296.17～681.76MPa，延伸率为6.78～35.45％。
所述的高强度、高塑性、耐腐蚀钛合金的制备过程为：首先按照所述合金成分进行配料，经熔炼后获得母合金，锻造成棒材，然后对所得棒材进行热处理，所述热处理步骤如下：
(1)固溶处理：温度900℃，保温3～5h，水冷；
(2)时效处理：温度400℃，保温12-16h，空冷至室温。
所述热处理过程在真空环境下进行。
本发明所述的高强度、高塑性、耐腐蚀钛合金应用于结构材料或医用材料。
本发明钛合金设计原理如下：
本发明是将一定质量分数比例的铜(2.6-4.9％)添加入钛中混合熔炼之后，再经过一系列的热处理工艺，从而在钛合金的基体上析出弥散钛铜相达到抗菌的目的。该钛合金中，除了合金化元素Cu以及基体元素Ti以外，不含有其他元素。这是为了保证钛合金在医学应用中不会因为合金元素溶出造成的任何生物安全性，包括潜在的生物安全性。
本发明钛合金可以通过后续的常规金属材料热加工方法进行加工，也可以选择适当的热处理方法对合金的力学性能进行调整。合金中的合金化元素Cu元素，可以在热处理过程中，以固溶和弥散Ti2Cu的方式存在于钛合金中，起到强化的作用。由于所添加的合金化元素Cu，其在NaCl溶液中的标准电极电位与Ti相近，因此，在钛中添加Cu元素以及形成Ti2Cu相，不会降低钛合金的耐蚀性能。同时，少量的Cu离子溶出却可以起到消灭与之接触的细菌。另外，少量Cu离子对人体健康是有益的。因此本发明的钛合金不仅可以提供高的强度和硬度，同时提供良好的塑性；不仅可以应用于常规的结构件制造中，也可以应用于医疗器械的制备中。
本发明的有益效果是：
1.本发明钛合金中，只选择Cu元素作为合金化元素，通过合理设计成分配比，获得高强度、高塑性、耐腐蚀的钛合金。减少了其他合金元素的使用，一方面简化了制备过程，也降低了合金的成本。另一方面，作为医用材料，消除了其他合金元素存在的生物安全性或者潜在的生物安全性。
2、本发明钛合金以Cu元素作为有效的强化元素，Cu元素的熔点低，只有1080℃。Cu元素的价格远远比钛低，只有钛和钛合金的十分之一到二十分之一。而且Cu元素在钛中的室温固溶度非常低，因此少量添加就能够起到很好的强化效果，达到提高钛硬度和强度的目的。特别是，Cu元素是人体健康元素，少量的摄取有利于人体健康。另外，通过Cu元素合金化处理的钛合金具有一定的抗菌性能。
3.本发明钛合金，可以通过适当的热处理来实现对钛合金力学性能和生物学性能的调整。
附图说明
图1为实施例2中Ti-3.0Cu合金不同处理状态的微观组织；其中：(a)锻态+退火；(b)固溶处理(T4)；(c)时效处理(T6)；(d)(TEM)透射电镜下锻态微观组织。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
本发明钛合金是在纯钛中添加2.6-4.9wt.％的Cu获得，合金化元素Cu具有低熔点、低成本的特点，合金中可能存在一定含量的杂质元素。合金锻造后通过合适的热处理制度进行力学性能的调整。
以下各实施例钛合金化学组成如表1所示。
表1钛合金化学组成(wt.％)
| 样品 | Cu | Ti |
| 实施例1 | 2.6％ | 余量 |
| 实施例2 | 3.0％ | 余量 |
| 实施例3 | 3.5％ | 余量 |
| 实施例4 | 4.0％ | 余量 |
| 实施例5 | 4.5％ | 余量 |
| 实施例6 | 4.9％ | 余量 |
各实施例钛合金制备过程如下：
在纯度为99.9％的纯钛中添加所需含量的Cu元素，经熔炼后制得母合金锭，母合金经过锻造成棒材，然后对所得棒材进行热处理，通过热处理进行合金力学性能的调整。
图1所示为Ti-3.0Cu合金不同状态的微观组织分析结果，结果表明：Ti-3.0Cu合金中，热处理之前(锻态)Ti元素以钛铜相的方式存在于合金中，但钛铜相尺寸较大；热处理第一步(T4)是固溶形式存在，第二步(T6)是固溶形式和弥散的钛铜相(Ti2Cu)存在。合金力学性能的检测按照国标GB/T 228-2002；耐蚀性能的检测按照国标《医疗器械生物学评价》(ISO 10993-12:2007)，选择纯钛作为对比试样。腐蚀速度的计算采用下列公式计算：V＝Micorr/nF(M是测试试样的摩尔质量(g mol-1),icorr电化学实验中自腐蚀电流密度的平均数(A cm-2)，F是法拉常数(96,485C mol-1)，n为钛的常用化合价)。
表2为实施例1-6中钛合金的力学性能和耐蚀性能检测结果。
表2钛合金的力学性能和耐蚀性能检测结果
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种高强度、高塑性、耐腐蚀钛合金，其特征在于：按重量百分含量计，该钛合金化学成分为：Cu：2.6-4.9％，其余为Ti；该钛合金的制备方法为：首先按照所述合金成分进行配料，经熔炼后获得母合金，锻造成棒材，然后对所得棒材进行热处理，所述热处理步骤如下：
(1)固溶处理：温度900～950℃，保温3～5h，水冷；
(2)时效处理：温度400～500℃，保温12～16h，空冷至室温；
该钛合金经热处理后，Cu元素以固溶和弥散分布的Ti2Cu相的方式存在于钛合金中；该钛合金的抗拉强度为387.42～1318.14MPa，屈服强度为296.17～681.76MPa，延伸率为6.78～35.45％。
2.根据权利要求1所述的高强度、高塑性、耐腐蚀钛合金，其特征在于：按重量百分含量计，该钛合金化学成分为：Cu：2.8-4.2％，其余为Ti。
3.根据权利要求1所述的高强度、高塑性、耐腐蚀钛合金，其特征在于：所述热处理过程在真空环境下进行。
4.根据权利要求1或2所述的高强度、高塑性、耐腐蚀钛合金的应用，其特征在于：该钛合金应用于结构材料或医用材料。
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