CN106676323A - 一种高Mo含量的生物医用β‑钛合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高Mo含量的生物医用β‑钛合金及其制备方法，该合金包含钛（Ti）、钼（Mo）和锡（Sn）三种合金元素，其合金成分的重量百分比为钼(Mo)(20~60 wt.%)，锡(Sn)(0~20 wt.%)，钛(Ti)余量。该合金采用高温熔铸法、电弧熔炼法、粉末冶金法、高频感应法或机械合金法制备。具有如下优点：（1）选择与人体完全相容的合金元素钼、锡，具有优良的生物相容性，且不含毒性；（2）弹性模量低（E=50~60GPa），比Ti‑6Al‑4V合金低40%~50%。可作为一种齿科用生物医用钛合金，主要用于临床口腔修复、种植、正畸等。

Description

一种高Mo含量的生物医用β-钛合金及其制备方法
技术领域
本发明属于生物医学应用领域，尤其是一种高Mo含量齿科用生物医用β-钛合金，主要用于临床口腔修复、种植、正畸等。
背景技术
钛及钛基合金由于其高抗腐蚀能力、优良的生物相容性和优异的机械性能，成为目前最为广泛应用的人体植入生物材料。钛有两种同素异形体，分别是密排六方结构的α-Ti和体心立方结构的β-Ti。α-Ti和α-Ti合金相比于其他种类的金属生物材料，具有较低的弹性模量，但仍然比人体骨头的弹性模量高很多。人体骨头与金属生物材料植入体杨氏模量的差异会诱导应力遮蔽效应，容易造成术后骨吸收或者手术失败。β-Ti合金的弹性模量比α-Ti合金的低，与人体骨头的弹性模量更为接近，可以减小发生上述情况的可能性。而α-Ti到β-Ti的转变温度取决于加入的合金元素。Nb、Ta、Zr和Mo是β相稳定化元素，它们作为合金元素的钛合金具有低弹性模量、高强度及高抗腐蚀能力的特点。然而，相比于Nb、Ta、Zr元素，Mo元素具有更强的β相稳定化性质。有文献报道，只需要在钛中添加10 wt.% Mo就可以得到稳定的β相。Sn元素可以提高Ti在Mo中的固溶度，且目前关于Ti-Mo-Sn合金的相关性质研究较少。相比于目前广泛应用的Ti-6Al-4V (TC4)合金中，V元素具有高细胞毒性，Al元素可能会诱导老年痴呆症，Ti-Mo-Sn合金对于人体具有无毒、无敏感性，在作为替换人体骨头、牙齿的生物医学植入材料领域具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无毒、无敏感性，低弹性模量，高强度的生物医用β-Ti合金及其制备方法，以提高植入生物医用钛合金材料与人体的相容性。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：高Mo含量的生物医用β-钛合金，它包含钛（Ti）、钼（Mo）和锡（Sn）三种合金元素，按合金成分的重量百分比钼(Mo)(20~60wt.%)，锡(Sn)( 0~20 wt.%)，钛(Ti)余量配制。其化学式组成为Ti1-x-yMoxSny，其中0.15≤x≤0.45，0.0≤y≤0.10。由于金属元素Ti和Mo的化学性质与物理性质相近，在一定条件下可以形成置换固溶体，所以Ti和Mo可以相互替换形成稳定的Ti1-x-yMoxSny相。
合金的典型化学组成式有Ti75Mo20Sn5，Ti70Mo25Sn5等。
该生物医用钛合金材料的主要物相为β-Ti相或与β-Ti结构同构的Ti1-x-yMoxSny相，还含有其他如a-Ti1-xMox相和Ti3Sn等物相。
该合金材料采用高温熔铸法、电弧熔炼法、粉末冶金法、高频感应法或机械合金法制备，制备过程需要在惰性气氛或高真空环境中进行。
上述生物医用钛合金材料的制备方法，可采用非自耗真空电弧炉法，按计量称量各金属组份，在高纯氩气的气氛中，用金属钛或锆作为吸气材料，使用电弧熔炼，制得Ti1-x- yMoxSny合金。
上述生物医用钛合金材料的制备方法，钼金属熔点为2620℃，是一种难熔金属，而锡金属熔点为232℃，为避免熔炼时锡金属熔损过多及避免合金熔炼不均匀，可采用粉末冶金法，精确控制熔炼合金的组份，将各组份金属研磨成粉末，粒度＜300目，按计量称量各金属组份并混合均匀，使用压片技术制成所需形状的样品，放入高真空石英管或者通有保护气氛的烧结炉中，然后加热升温至一定温度，保温一段时间，即可得到目标合金即Ti1-x- yMoxSny合金。
本发明的高Mo含量的生物医用β-钛合金作为齿科用生物医用材料具有如下优点：形成焓为负值，弹性常数符合机械稳定性判据，保持结构稳定性和机械稳定性，弹性模量低（E=50~60GPa），比Ti-6Al-4V合金低40%~50%，非常接近人体骨头的弹性模量(E=20~40GPa)，且选择与人体完全相容的合金元素钼、锡，具有优良的生物相容性，且不含毒性，可作为一种齿科用生物医用钛合金，在临床口腔修复、种植、正畸等领域具有广阔的前景。
具体实施方式
1、实施例1：合金材料Ti75Mo20Sn5
采用非自耗真空电弧炉法，按计量称量各金属组份，在高纯氩气的气氛中，用金属钛（或锆）作为吸气材料，使用电弧熔炼，制得Ti75Mo20Sn5合金。
将制得的合金材料一分为二，一部分研磨成粉末，利用X射线粉末衍射方法进行物相分析；另一部分块状样品，用来进行力学性能测试，利用数字显微硬度计测试硬度。合金所含物相是MoTi(β-Ti结构)、SnTi3(α-Ti结构)，维氏硬度值为562，体积弹性模量B为110GPa，剪切模量G为18.45GPa，杨氏模量为52.41GPa。
2、实施例2：合金材料Ti70Mo25Sn5
采用粉末冶金法，精确控制合金的组份，将各组份金属研磨成粉末，粒度＜300目，按计量称量各金属组份并混合均匀，使用压片技术制成纽扣形样品，放入高真空石英管中，然后加热升温至一定温度，保温一段时间，即可得到Ti70Mo25Sn5合金。
参考实施例1，合金所含物相是MoTi(β-Ti结构)、SnTi3(α-Ti结构)，维氏硬度值为656，体积弹性模量B为131.68GPa，剪切模量G为20.63GPa，杨氏模量为58.83GPa。

Claims (7)

1.一种高Mo含量的生物医用β-钛合金，其特征在于：它包含钛（Ti）、钼（Mo）和锡（Sn）三种合金元素，其合金成分的重量百分比为钼(Mo)(20~60 wt.%)，锡(Sn)( 0~20 wt.%)，钛(Ti)余量。
2.根据权利要求1所述的高Mo含量的生物医用β-钛合金，其特征在于：所述合金的化学组成式为Ti1-x-yMoxSny。
3. 根据权利要求1所述的高Mo含量的生物医用β-钛合金，其特征在于：所述元素Mo占该合金材料的原子百分比为15~45 at.%，所述元素Sn占该合金材料的原子百分比为0~10at.%。
4.根据权利要求1所述的高Mo含量的生物医用β-钛合金，其特征在于：该合金材料含有多种物相，合金的主要组成物相有β-Ti1-xMox相、a-Ti1-xMox相和Ti3Sn。
5.根据权利要求1所述的高Mo含量的生物医用β-钛合金，其特征在于：该合金材料采用高温熔铸法、电弧熔炼法、粉末冶金法、高频感应法或机械合金法制备，制备过程需要在惰性气氛或高真空环境中进行。
6.根据权利要求1所述高Mo含量的生物医用β-钛合金材料的制备方法，其特征在于：采用非自耗真空电弧炉法，按计量称量各金属组份，在高纯氩气的气氛中，用金属钛或锆作为吸气材料，使用电弧熔炼，制得Ti1-x-yMoxSny合金。
7.根据权利要求1所述高Mo含量的生物医用β-钛合金材料的制备方法，其特征在于：采用粉末冶金法，将各组份金属研磨成粉末，粒度＜300目，按计量称量各金属组份并混合均匀，使用压片技术制成纽扣形样品，放入高真空石英管或者通有保护气氛的烧结炉中，然后加热升温至一定温度，保温一段时间，即可得到Ti1-x-yMoxSny合金。
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