CN108950298B - 一种生物医学植入用抗氢脆钛合金及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于抗氢脆钛合金技术领域，具体涉及一种生物医学植入用抗氢脆钛合金及其生产方法。抗氢脆钛合金的材料主体为钛合金，在材料主体中分散有富Nd第二相颗粒，其化学成份按重量百分数计为：Al为8～12％，Sn为6～10％，Z为3～6％，Mo为2～5％，Si为1～3％，Nd为1～3％，余量为Ti。其生产方法包括步骤：熔炼，并浇筑成型；均热处理；粗轧；精轧；层流冷却；卷取，制得热轧板卷；将热轧板卷进行热处理保温后水淬，得到生物医学植入用抗氢脆钛合金。本发明的生物医学植入用钛合金含有大量均匀弥散分布的富Nd第二相颗粒既满足了抗氢脆的性能要求，又满足了高强度和高韧性的机械性能要求，为人体环境下使用生物医学植入钛合金结构件提供了生产原料。

Description

一种生物医学植入用抗氢脆钛合金及其生产方法
技术领域
本发明属于抗氢脆钛合金技术领域，具体涉及一种生物医学植入用抗氢脆钛合金及其生产方法。
背景技术
钛合金以其高比强度，高热强度，小密度，良好的抗蚀性、低温性能和吸气性能等优点，而被广泛应用于生物医学植入用骨钉、骨板及人工关节等重要的金属植入材料。在人体的服役环境中，氢作为元素周期表中第一元素会以氢气(H2)、水(H2O)、氢化物(H2S、HF、HCl等)以及其它气液形式无处不在。由于氢原子结构最简单、体积最小，因而它能轻易的从钛合金表面向内扩散，氢原子聚集于基体内，使其结合强度降低，同时在循环应力的作用下导致其最终开裂，这种现象被称为氢脆，也被称作氢致延迟断裂或氢致损伤。钛合金氢脆通常断裂前没有明显现象，事发突然往往引起严重后果。近年来，随着钛合金在生物医学植入领域中的大量应用，钛合金氢脆断裂的频发造成了大量骨折断裂的严重问题，为了保证生物医学植入钛合金的安全可靠性，急需开发出一种能够抵抗氢脆产生的生物医学植入用钛合金。
目前，为了使生物医学植入用钛合金在人体氢存在的环境下避免氢脆，钛合金的表面会镀上一层膜用以阻止金属吸入氢原子。但是，如果镀层出现了裂纹，钛合金就会暴露出来，并且由于氢原子尺寸极小，能够在任何钛合金中扩散，镀层只能起到延缓氢脆的作用，不能从根本上抵抗氢脆。由于氢脆主要由扩散氢所致，如果能在钛合金中制备出一系列能够在氢原子进入钛合金之初就将其困住的不可逆氢陷阱，这些不可逆氢陷阱就会像钛合金内部海绵一样牢牢将扩散氢原子富集在其周围，这样就不会对钛合金材料性能造成危害了。根据此原理，本发明通过在钛合金中添加适量的稀土Nd会以内氧化的形式形成一种富Nd第二相颗粒弥散分布于钛合金基体中。这种富Nd第二相颗粒与氢原子结合力较大，可将氢原子牢牢吸附在其周围，当该第二相颗粒足够多时即可形成大量不可逆氢富集住扩散氢，从而使生物医学植入用钛合金从根本上防止了氢脆的产生。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种生物医学植入用抗氢脆钛合金及其生产方法。本发明生产的生物医学植入用钛合金含有大量均匀弥散分布的富Nd第二相颗粒既满足了抗氢脆的性能要求，又满足了高强度和高韧性的机械性能要求，为人体环境下使用的各种生物医学植入钛合金结构件提供了优选的生产原料。
本发明所提供的技术方案如下：
一种生物医学植入用抗氢脆钛合金，其材料主体为钛合金，在所述材料主体中分散有富Nd第二相颗粒。
上述技术方案所提供的生物医学植入用抗氢脆钛合金，以富Nd第二相颗粒形成的富Nd第二相颗粒作为不可逆氢陷阱，可固定住钛合金中扩散氢原子，从而实现钛合金的抗氢脆性能，其原理如图1所示，富Nd第二相颗粒作为不可逆氢陷阱，可固定住钛合金中扩散氢原子。
具体的：
所述富Nd第二相颗粒的平均粒径在100～200μm之间；
所述富Nd第二相颗粒的数量为1000～3000颗/立方厘米；
Nd的百分含量为1～3wt％；
所述富Nd第二相颗粒的形状为椭球型；
上述技术方案所提供的生物医学植入用抗氢脆钛合金可以获得极高的置氢疲劳寿命。
具体的，Al为8～12％，Sn为6～10％，Z为3～6％，Mo为2～5％，Si为1～3％，Nd为1～3％，余量为Ti，可含不可避免的杂质。
上述技术方案所提供的生物医学植入用抗氢脆钛合金不仅具有极高的抗氢脆性能，又具有高的力学性能，满足屈服强度ReL≥1000MPa，抗拉强度Rm≥1200MPa，延伸率A≥15％。
本发明还提供了一种生物医学植入用抗氢脆钛合金的生产方法，包括以下步骤：
1)采用真空自耗电极熔炼炉进行钛合金的熔炼，并浇筑成型，得到含Nd钛合金板坯，其中，Nd的百分含量为1～3wt％；
2)将含Nd钛合金板坯进行均热处理，均热温度为1400～1500℃，均热时间为80～100min；
3)将含Nd钛合金板坯进行粗轧，并控制粗轧结束温度不低于1200℃；
4)将含Nd钛合金板坯进行精轧，并控制终轧温度在850～900℃；
5)将含Nd钛合金板坯进行层流冷却，并控制终冷温度为500～600℃、冷却速度为20～50℃/s；
6)将含Nd钛合金板坯进行卷取，制得热轧板卷；
7)将热轧板卷进行热处理，热处理加热至1000～1100℃，保温0.5～1.5小时后水淬，得到生物医学植入用抗氢脆钛合金。
上述技术方案采用了合适轧制及热处理工艺精确控制了富Nd第二相颗粒的大小和形状(颗粒平均粒径在100～200μm之间，形状均为椭球形)，既为钛合金提供了最大化的不可逆氢陷阱，又通过第二相析出强化作用提高了钛合金的强度和韧性。
进一步的，所述含Nd钛合金板坯的化学成份按重量百分数计为：Al为8～12％，Sn为6～10％，Z为3～6％，Mo为2～5％，Si为1～3％，Nd为1～3％，余量为Ti。
上述技术方案所提供的生物医学植入用抗氢脆钛合金不仅具有极高的抗氢脆性能，又可具有高的力学性能，满足屈服强度ReL≥1000MPa，抗拉强度Rm≥1200MPa，延伸率A≥15％。
本发明生产的生物医学植入用钛合金含有大量均匀弥散分布的富Nd第二相颗粒既满足了抗氢脆的性能要求，又满足了高强度和高韧性的机械性能要求，为人体环境下使用的各种生物医学植入钛合金结构件提供了优选的生产原料。
附图说明
图1富Nd第二相颗粒作为不可逆氢陷阱富集扩散氢获得抗氢脆性能的原理图。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在一个具体的实施方式中，生物医学植入用抗氢脆钛合金的生产方法，包括以下步骤：
1)采用真空自耗电极熔炼炉进行钛合金的熔炼，并浇筑成型，得到含Nd钛合金板坯，其中，所述含Nd钛合金板坯的化学成份按重量百分数计为：Al为8～12％，Sn为6～10％，Z为3～6％，Mo为2～5％，Si为1～3％，Nd为1～3％，余量为Ti；
2)将含Nd钛合金板坯进行均热处理，均热温度为1400～1500℃，均热时间为80～100min；
3)将含Nd钛合金板坯进行粗轧，并控制粗轧结束温度不低于1200℃；
4)将含Nd钛合金板坯进行精轧，并控制终轧温度在850～900℃；
5)将含Nd钛合金板坯进行层流冷却，并控制终冷温度为500～600℃、冷却速度为20～50℃/s；
6)将含Nd钛合金板坯进行卷取，制得热轧板卷；
7)将热轧板卷进行热处理，热处理加热至1000～1100℃，保温0.5～1.5小时后水淬，得到生物医学植入用抗氢脆钛合金。
基于本发明的技术方案进行实施例的实施，各实施例的情况以以下表格所示，其中：
表1为本发明各实施例的生物医学植入用抗氢脆钛合金化学成分列表；
表2为本发明各实施例的生物医学植入用抗氢脆钛合金熔炼工艺列表；
表3为本发明各实施例的生物医学植入用抗氢脆钛合金轧制工艺列表；
表4为本发明各实施例的生物医学植入用抗氢脆钛合金热处理工艺列表；
表5为本发明各实施例的生物医学植入用抗氢脆钛合金力学性能列表；
表6为本发明各实施例的生物医学植入用抗氢脆钛合金抗氢脆性能列表；
表7为本发明各实施例的生物医学植入用抗氢脆钛合金的置氢疲劳性能列表。
各表格具体数据如下：
表1本发明各实施例的生物医学植入用抗氢脆钛合金化学成分(wt％)
Figure BDA0001686983780000051
Figure BDA0001686983780000061
表2本发明各实施例的生物医学植入用抗氢脆钛合金熔炼工艺
实施例 熔炼温度(℃)
1 2170
2 2300
3 2150
4 2250
5 2100
6 2200
表3本发明各实施例的生物医学植入用抗氢脆钛合金轧制工艺
表4本发明各实施例的生物医学植入用抗氢脆钛合金热处理工艺
Figure BDA0001686983780000063
表5本发明各实施例的生物医学植入用抗氢脆钛合金力学性能
Figure BDA0001686983780000071
表6本发明各实施例的生物医学植入用抗氢脆钛合金抗氢脆性能列表
Figure BDA0001686983780000072
表7本发明各实施例的各实施例的生物医学植入用抗氢脆钛合金的置氢疲劳性能
Figure BDA0001686983780000073
从表5到表7中可以看出，本发明申请的生物医学植入用抗氢脆钛合金，其屈服强度为1000～1130MPa，抗拉强度为1200～1290MPa，延伸率为15～19％；抗氢脆性能(氢扩散系数1.45×10-7～1.97×10-7cm2/s)均远远高于对比例Ti-6Al-4V(氢扩散系数2.05×10-3)；在充氢浓度基本一致的情况下，置氢疲劳寿命(65489～68411次)远远高于对比例Ti-6Al-4V(16328次)。产品性能完全满足使用要求，并且其抗氢脆性能远远优于对比例Ti-6Al-4V。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种生物医学植入用抗氢脆钛合金，其特征在于，生物医学植入用抗氢脆钛合金的化学成份按重量百分数计为：Al为8～12%，Sn为6～10%，Zr为3～6%，Mo为2～5%，Si为1～3%，Nd为 1～3%，余量为Ti，其中，生物医学植入用抗氢脆钛合金中分散有富Nd第二相颗粒，所述富Nd第二相颗粒的平均粒径在100～200μm之间，所述富Nd第二相颗粒的数量为1000～3000颗/立方厘米，所述富Nd第二相颗粒的形状为椭球型。
2.一种生物医学植入用抗氢脆钛合金的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）采用真空自耗电极熔炼炉进行钛合金的熔炼，并浇筑成型，得到含Nd钛合金板坯，其中，所述含Nd钛合金板坯的化学成份按重量百分数计为：Al为8～12%，Sn为6～10%，Zr为3～6%，Mo为2～5%，Si为1～3%，Nd为 1～3%，余量为Ti；
2）将含Nd钛合金板坯进行均热处理，均热温度为1400～1500℃，均热时间为80～100min；
3）将含Nd钛合金板坯进行粗轧，并控制粗轧结束温度不低于1200℃；
4）将含Nd钛合金板坯进行精轧，并控制终轧温度在850～900℃；
5）将含Nd钛合金板坯进行层流冷却，并控制终冷温度为500～600℃、冷却速度为20～50℃/s；
6）将含Nd钛合金板坯进行卷取，制得热轧板卷；
7）将热轧板卷进行热处理，热处理加热至1000～1100℃，保温0.5～1.5小时后水淬，得到生物医学植入用抗氢脆钛合金，氢扩散系数DL≦2.05×10-3cm2/s。
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