CN114875294A - 一种钛镍基合金材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种钛镍基合金材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及形状记忆合金技术领域，尤其涉及一种钛镍基合金材料及其制备方法与应用。该钛镍基合金材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：钛43～46份、镍45.3～48.5份、铜5～10份、铌0.1～0.3份。通过将钛、镍、铜、铌进行预合金化熔炼除杂后制成合金棒；然后将合金棒放入气雾化制粉炉获得钛镍铜铌合金粉末，再使用金属3D打印机制备成医疗植入构件。本发明与传统的钛镍合金相比，所制备构件具有与人骨更为相近的弹性模量，更适于作为制备医疗植入构件，并且通过添加铜元素和铌元素能够明显降低合金相变温度对成分变化的强敏感性。

Description

一种钛镍基合金材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及形状记忆合金技术领域，尤其涉及一种钛镍基合金材料及其制备方法与应用。
背景技术
具有形状记忆效应和超弹性的合金被人们称为形状记忆合金(Shape MemoryAlloy，SMA)，形状记忆合金因具有可贵的记忆原始形状的性能受到了国内外学者的广泛研究。目前开发出的具有形状记忆效应的合金体系中，TiNi基合金因具有高耐磨性、耐腐蚀性、高阻尼性能、良好的机械性能和生物相容性，是一种兼具结构和功能性的优质材料。
然而，传统的钛镍形状记忆合金的制备工艺存在一定的缺陷，如记忆合金的传统制备工艺成本较高，不利于大规模推广应用；熔炼铸造工艺在熔炼过程中会不可避免的融入C、N、O等杂质元素，影响记忆合金的性能；并且，制备的钛镍形状记忆合金还具有可加工性能差的缺陷。
此外，TiNi合金中马氏体相变温度对Ni元素含量变化十分敏感，在近等原子比TiNi合金中，当Ni元素增加0.1％时，相变温度降低约10K。在调整TiNi合金中Ni、Ti含量时，必须要考虑这一影响因素。
因此，如何提供一种对Ni含量低敏感性的钛镍基合金材料，以及解决传统的钛镍合金材料制备工艺存在的缺陷，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛镍基合金材料及其制备方法与应用，以解决现有技术存在的缺陷。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种钛镍基合金材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：
钛43～46份、镍45.3～48.5份、铜5～10份、铌0.1～0.3份。
优选的，所述的一种钛镍基合金材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：
钛42～45份、镍45.5～48份、铜6～9份、铌0.15～0.25份。
本发明还提供了一种上述钛镍基合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钛、镍、铜、铌原料放入氧化钙坩埚进行预合金化熔炼除杂后制成合金棒；
(2)将合金棒放入气雾化制粉炉获得钛镍铜铌合金粉末。
优选的，所述步骤(1)制备的合金棒的尺寸为φ40～60mm×350mm。
优选的，所述预合金化熔炼除杂是在真空中频感应熔炼炉中进行，真空中频感应熔炼炉的电压为200～500V，电流为200～300A；待钛、镍、铜、铌完全熔化后，抽真空，保持压力≤2Pa，再精炼30～60min，浇筑于模具内，浇筑完成后向真空中频感应炉内充氩气至压力为0.07～0.09MPa，冷却50～60min后出炉。
优选的，所述步骤(2)将合金棒放入气雾化制粉炉后先使用氩气置换2～4次，雾化压力为2～5MPa，给料速度为40～70mm/min，熔炼功率为20～30kW。
优选的，所述步骤(1)或(2)使用的氩气纯度均≥99.999％。
本发明还提供了一种上述钛镍基合金材料的应用方法，所述钛镍基合金材料在制备医疗植入构件中的应用。
经由上述技术方案可知，与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下的有益效果：
本发明钛镍基合金材料在二元钛镍合金的基础上，通过添加铜元素和铌元素能够明显降低合金相变温度对成分变化的强敏感性，同时改善合金的生物相容性和抗生物腐蚀性能，并且，传统的钛镍合金的弹性模量与人骨的比值为1.5，本发明与传统的钛镍合金相比，具有与人骨更为相近的弹性模量，更适于作为制备医疗植入构件。
具体实施方式
本发明提供了一种钛镍基合金材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：
钛43～46份、镍45.3～48.5份、铜5～10份、铌0.1～0.3份，优选为钛42～45份、镍45.5～48份、铜6～9份、铌0.15～0.25份。
本发明还提供了一种上述钛镍基合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钛、镍、铜、铌原料放入氧化钙坩埚进行预合金化熔炼除杂后制成合金棒；
(2)将合金棒放入气雾化制粉炉获得钛镍铜铌合金粉末。
在本发明中，所述步骤(1)制备的合金棒的尺寸为φ40～60mm×350mm，优选为φ45～55mm×350mm。
在本发明中，所述预合金化熔炼除杂是在真空中频感应熔炼炉中进行，真空中频感应熔炼炉的电压为200～500V，优选为250～350V，电流为200～300A，优选为220～280A；待钛、镍、铜、铌完全熔化后，抽真空，保持压力≤2Pa，优选为≤1.5Pa，再精炼30～60min，优选为40～60min，浇筑于模具内，浇筑完成后向真空中频感应炉内充氩气至压力为0.07～0.09MPa，优选为0.08MPa，冷却50～60min，优选为53～57min后出炉。
在本发明中，所述步骤(2)将合金棒放入气雾化制粉炉后先使用氩气置换2～4次，优选为3次，雾化压力为2～5MPa，优选为3.5～4.5MPa，给料速度为40～70mm/min，，优选为50～60mm/min，熔炼功率为20～30kW，优选为22～26kW。
在本发明中，所述步骤(1)或(2)使用的氩气纯度均≥99.999％，优选为≥99.9999％。
本发明还提供了一种上述钛镍基合金材料的应用方法，所述钛镍基合金材料在制备医疗植入构件中的应用。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)将44份钛、48.5份镍、7.4份铜、0.1份铌放入真空中频感应熔炼炉中进行预合金化熔炼除杂，其中真空中频感应熔炼炉的电压为200V，电流为200A，待钛、镍、铜、铌完全熔化后，抽真空，保持压力≤2Pa，再精炼45min，浇筑于模具内，浇筑完成后向真空中频感应炉内充氩气至压力为0.07MPa，冷却50min后出炉，制备得到尺寸为φ50mm×350mm合金棒；
(2)先使用氩气对气雾化制粉炉置换2次，然后设定熔炼功率为20kW，雾化压力为3MPa，给料速度为40mm/min，制备得到钛镍铜铌合金粉末。
实施例2
(1)将45份钛、48份镍、6.8份铜、0.2份铌放入真空中频感应熔炼炉中进行预合金化熔炼除杂，其中真空中频感应熔炼炉的电压为300V，电流为250A，待钛、镍、铜、铌完全熔化后，抽真空，保持压力≤1.5Pa，再精炼60min，浇筑于模具内，浇筑完成后向真空中频感应炉内充氩气至压力为0.09MPa，冷却60min后出炉，制备得到尺寸为φ40mm×350mm合金棒；
(2)先使用氩气对气雾化制粉炉置换2～4次，然后设定熔炼功率为24kW，雾化压力为4MPa，给料速度为50mm/min，制备得到钛镍铜铌合金粉末。
实施例3
(1)将45.7份钛、47份镍、7份铜、0.3份铌放入真空中频感应熔炼炉中进行预合金化熔炼除杂，其中真空中频感应熔炼炉的电压为500V，电流为300A，待钛、镍、铜、铌完全熔化后，抽真空，保持压力≤1Pa，再精炼50min，浇筑于模具内，浇筑完成后向真空中频感应炉内充氩气至压力为0.08MPa，冷却55min后出炉，制备得到尺寸为φ60mm×350mm合金棒；
(2)先使用氩气对气雾化制粉炉置换3次，然后设定熔炼功率为30kW，雾化压力为5MPa，给料速度为70mm/min，制备得到钛镍铜铌合金粉末。
测试例
将实施例1～3制备的钛镍铜铌合金粉末使用EOS EOSINT M290金属3D打印机成形15mm×15mm×15mm的点阵结构样品，实施例1～3制备的钛镍铜铌合金粉末及其样品的表征结果见表1。
表1实施例1～3制备的钛镍铜铌合金粉末及其样品表征数据
Figure BDA0003680390120000041
Figure BDA0003680390120000051
注：人骨的弹性模量为30GPa。
由以上实施例可知，本发明提供了一种钛镍基合金材料及其制备方法与应用，制备的钛镍铜铌合金粉末具有较好的球型度，可作为优异的3D打印的原材料使用，由制备的样品测试的相变温度结果可知，实施例1与实施例3相比，镍用量增加了1.5重量份，但是相变温度并未出现明显的降低，可见，本发明在钛镍合金中加入一定量的铜和铌后，有效的降低合金相变温度对成分变化的强敏感性。
并且，传统的钛镍合金的弹性模量与人骨的比值为1.5，本发明制备的钛镍铜铌合金材料与传统的钛镍合金相比，具有与人骨更为相近的弹性模量，更适于作为制备医疗植入构件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种钛镍基合金材料，其特征在于，由包括以下重量份数的原料制备得到：
钛43～46份、镍45.3～48.5份、铜5～10份、铌0.1～0.3份。
2.根据权利要求1所述的一种钛镍基合金材料，其特征在于，由包括以下重量份数的原料制备得到：
钛42～45份、镍45.5～48份、铜6～9份、铌0.15～0.25份。
3.权利要求1～2任一项所述的一种钛镍基合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将钛、镍、铜、铌原料放入氧化钙坩埚进行预合金化熔炼除杂后制成合金棒；
(2)将合金棒放入气雾化制粉炉获得钛镍铜铌合金粉末。
4.根据权利要求3所述的一种钛镍基合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)制备的合金棒的尺寸为φ40～60mm×350mm。
5.根据权利要求3或4所述的一种钛镍基合金材料的制备方法，其特征在于，所述预合金化熔炼除杂是在真空中频感应熔炼炉中进行，真空中频感应熔炼炉的电压为200～500V，电流为200～300A；待钛、镍、铜、铌完全熔化后，抽真空，保持压力≤2Pa，再精炼30～60min，浇筑于模具内，浇筑完成后向真空中频感应炉内充氩气至压力为0.07～0.09MPa，冷却50～60min后出炉。
6.根据权利要求5所述的一种钛镍基合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)将合金棒放入气雾化制粉炉后先使用氩气置换2～4次，雾化压力为2～5MPa，给料速度为40～70mm/min，熔炼功率为20～30kW。
7.根据权利要求6所述的一种钛镍基合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)或(2)使用的氩气纯度均≥99.999％。
8.权利要求1～2任一项所述的一种钛镍基合金材料的应用方法，其特征在于，所述钛镍基合金材料在制备医疗植入构件中的应用。
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