CN115449666A

CN115449666A - 一种1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材及其制备方法

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Publication number: CN115449666A
Application number: CN202211152541.7A
Authority: CN
Inventors: 辛昱江; 郑永利; 马宏刚
Original assignee: Baoji Xinnuo New Metal Material Co ltd
Current assignee: Baoji Xinnuo New Metal Material Co ltd
Priority date: 2022-09-21
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2022-12-09
Anticipated expiration: 2042-09-21
Also published as: CN115449666B

Abstract

本发明提供了一种1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材及其制备方法，涉及钛合金金属加工技术领域。本发明钛合金棒材包括以下重量百分比的合金元素：Nb2.0％～3.0％，Zr5.5％～6.5％，Mo6.0％～7.0％，Sn0.5％～1.5％，Fe0.3％～0.7％，O0.12％～0.20％，余量为Ti。本发明钛合金棒材的抗拉强度约1050～1150Mpa，弹性模量约90Gpa。本发明的能够显著降低钛合金弹性模量并保持其强度，使棒材的弹性模量更接近人体骨组织，且具有优异的力学性能和生物相容性，用于医用植入物能有效降低“应力屏蔽”，满足髓内钉、髋关节等特殊部位的强度要求。

Description

一种1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材及其制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金金属加工技术领域，尤其涉及一种1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材及其制备方法。

背景技术

20世纪50年代初，首先由英国和美国，把医用钛制造成接骨板、螺钉、髓内钉和髋关节。由于接骨板在手术中需要塑形，以便贴敷断骨的生理解剖形状，因此直到现在，医用钛经过特殊加工后仍被用于制造接骨板及配套螺钉，如全系列AO钢板及螺钉，这是高强度钛合金所不能替代的。经临床发现，使用医用纯钛制造髓内钉及髋关节强度、刚度明显不足。因此为了避免体内植入物的断裂失效，提高植入物的强度，在英、美、俄、日等国，出现了采用高强度GR5(TC4)钛合金替代纯钛材料。

TC4钛合金也在不断发展，逐渐出现了具有高断裂韧性、低裂纹扩展速率、低间隙元素型TC4ELI高损伤容限钛合金，直到目前占80％以上钛合金植入物产品仍在使用这种合金。虽然TC4合金具有优异的性能，但由于“V”元素可引起恶性组织反应，可能会对人体产生毒副作用，因而促使材料学家研究新的不含“V”元素的钛合金材料。自20世纪80年代，德国和瑞士的生物材料学家先后研制出“Ti-5A1-2.5Fe”和“Ti-6A1-7Nb(TC20)”合金。这两种钛合金中，TC20钛合金可用于制造非扩髓带锁髓内钉系统(包括胫骨、肱骨、股骨)及用于治疗股骨颈骨骨折的中空螺钉等，但是经过长时间的临床医学验证得出，TC20钛合金具有的强度不能满足特殊部位植入物的强度要求，同时TC20合金的弹性模量较TC4合金下降了约5.5％，还是远远高于人体骨组织的弹性模量，在临床医学中植入TC20合金材料后大概率会因为弹性模量与人体骨组织不匹配，从而引起“应力屏蔽现象”，最终导致关节假体断裂，因此对高强度低弹性模量新型材料的研究越发迫切。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材及其制备方法，与TC4合金和TC20合金棒材相比，本发明钛合金棒材的弹性模量下降了约17％，力学性能更优，满足了髓内钉、髋关节等特殊部位的强度要求。本发明所述1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材包括以下重量百分比的合金元素：Nb2.0％～3.0％，Zr5.5％～6.5％，Mo6.0％～7.0％，Sn0.5％～1.5％，Fe0.3％～0.7％，O0.12％～0.20％，余量为Ti。

进一步地，所述Nb以铌锆合金的形式加入，Zr以海绵锆和/或铌锆合金的形式加入，Mo以钛钼合金是形式加入，Sn以钛锡合金的形式加入，Fe以钛铁的形式加入，O以二氧化钛的形式加入。

本发明还提供了所述1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)在海绵钛中按比例加入合金元素进行成分配比；

(2)将步骤(1)中的原料使用液压机压制成电极杆；

(3)将压制的电极杆在真空自耗熔炼炉内熔炼3次得到铸锭；

(4)将熔炼好的铸锭车光后将铸锭加热后保温，经两次镦粗、两次拔长后将坯料轧制得到Φ55×Lmm的棒坯后完成锻造；

(5)将锻造完的棒坯车光修磨后加热保温，保温结束后进行轧制，得到Φ18.5×Lmm的棒坯；

(6)将轧制后的棒坯进行大气炉退火，空冷至室温，得到1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材。

进一步地，所述步骤(3)中熔炼电流为1200～1400A，熔炼电压为28～32V，交流稳弧电流为3～5A，真空度≤2.0×10^-3Pa。

进一步地，所述步骤(4)中加热温度为940～980℃，保温时间为70～90min，轧制变形率为40％～60％。

进一步地，所述步骤(5)中加热温度为880～920℃，保温时间为50～70min，轧制道次为0～15道次，轧制变形率为80％～90％。

进一步地，所述步骤(6)中的退火温度为650～750℃，保温时间为60～80min。

本发明的另一个目的是保护所述1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材在制备骨板、螺钉、髓内钉、髋关节中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明通过在钛基合金中加入生物相容性较好的Nb、Zr、Sn等无毒元素，其中Zr属于中性元素，以上元素与其他组分相结合并配合特定的制备工艺，能够显著降低钛合金弹性模量并保持其强度。本发明钛合金棒材的抗拉强度约1050～1150Mpa，弹性模量约90Gpa。同时，本发明通过限定材料的最优成分比例使棒材的弹性模量更接近人体骨组织，且具有优异的力学性能和生物相容性，用于医用植入物能有效降低“应力屏蔽”，可满足髓内钉、髋关节等特殊部位的强度要求。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明实施例1制得的1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材显微组织图。

具体实施方式

本发明提供了一种1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材，包括以下重量百分比的合金元素：Nb2.0％～3.0％，Zr5.5％～6.5％，Mo6.0％～7.0％，Sn0.5％～1.5％，Fe0.3％～0.7％，O0.12％～0.20％，余量为Ti。

(1)在海绵钛中按比例加入合金元素进行成分配比；

(2)将步骤(1)中的原料使用液压机压制成电极杆；

(3)将压制的电极杆在真空自耗熔炼炉内熔炼3次得到铸锭；

在一个实施例中，所述步骤(3)中熔炼为1200～1400A，熔炼电压为28～32V，交流稳弧电流为3～5A，真空度≤2.0×10^-3Pa。

在一个实施例中，所述步骤(4)中加热温度为940～980℃，保温时间为70～90min，轧制变形率为40％～60％。

在一个实施例中，所述步骤(5)中加热温度为880～920℃，保温时间为50～70min，轧制道次为0～15道次，轧制变形率为80％～90％。

在一个实施例中，所述步骤(6)中的退火温度为650～750℃，保温时间为60～80min。

以下结合实施例对本发明提供的技术方案进行进一步说明。

实施例1

一种1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材的制备方法，步骤如下：

(1)在海绵钛中加入Nb-2.5％，Zr-6.0％，Mo-6.5％，Sn-1.0％，Fe-0.5％，O-0.15％，Ti为余量；

(2)将配制好原料使用液压机压制成密度约为4.51g/cm³电极杆；

(3)将压制的电极杆在真空度不超过2.0×10^-3Pa、熔炼电流为1300A、熔炼电压为30V、交流稳弧电流4A的真空自耗熔炼炉内熔炼3次得到铸锭；

(4)将熔炼好的铸锭进行锻造，其中锻造总变形率为52.7％；

(5)将锻造完的棒坯进行轧制，其中轧制总变形率为88.7％；

(6)将轧制后的棒坯在700℃下进行大气炉退火70min，空冷至室温，得到1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材。

对铸锭化学成分进行检测，结果如下：

元素	Zr/％	Mo/％	Nb/％	Sn/％	Fe/％	C/％	N/％	O/％	H/％
										检测值	6.17	6.66	2.54	0.974	0.548	0.023	0.010	0.186	0.0007

对铸锭的β转变温度进行检测，结果为828℃；

对棒材在700℃下进行大气炉退火70min，空冷至室温后，依据GB/T228.1-2010中记载的方法对制得的钛合金棒材力学性能进行测定，结果如下，其显微组织如见附图1。

对比例1

同实施例1，区别在于：按照GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》中TC4的成分配比值设定海绵钛中的合金元素。

对铸锭化学成分进行检测，结果如下：

元素	Al/％	V/％	Fe/％	C/％	N/％	O/％	H/％
								检测值	6.24	4.38	0.204	0.009	0.005	0.113	0.0006

依据GB/T228.1-2010中记载的方法对制得的TC4合金棒材力学性能进行测定，结果如下：

经比较可知，实施例1制得的棒材其弹性模量较对比例1下降了17％。同时实施例1制得的棒材其力学性能优于对比例1，为特殊部位医用植入物提供了可靠的强度要求和较好的生物相容性。

对比例2

同实施例1，区别在于：按照GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》中TC20的成分配比值设定海绵钛中的合金元素。

对铸锭化学成分进行检测，结果如下：

元素

Al/％

Nb/％

Ta/％

Fe/％

C/％

N/％

O/％

H/％

检测值

6.21

7.30

<0.01

0.179

0.011

0.007

0.083

0.0006

依据GB/T228.1-2010中记载的方法对制得的TC20合金棒材力学性能进行测定，结果如下：

经比较可知，实施例1制得的棒材其弹性模量较对比例2下降了12.2％，同时，实施例1制得的棒材其力学性能远远高于TC20合金棒材。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材，其特征在于，包括以下重量百分比的合金元素：Nb 2.0％～3.0％，Zr 5.5％～6.5％，Mo 6.0％～7.0％，Sn0.5％～1.5％，Fe0.3％～0.7％，O 0.12％～0.20％，余量为Ti。

2.根据权利要求1所述的一种1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材，其特征在于，所述Nb以铌锆合金的形式加入，Zr以海绵锆和/或铌锆合金的形式加入，Mo以钛钼合金是形式加入，Sn以钛锡合金的形式加入，Fe以钛铁的形式加入，O以二氧化钛的形式加入。

3.根据权利要求1或2所述的一种1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在海绵钛中按比例加入合金元素进行成分配比；

(2)将步骤(1)中的原料使用液压机压制成电极杆；

(3)将压制的电极杆在真空自耗熔炼炉内熔炼3次得到铸锭；

4.根据权利要求3所述一种1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中熔炼电流为1200～1400A，熔炼电压为28～32V，交流稳弧电流为3～5A，真空度≤2.0×10^-3Pa。

5.根据权利要求3所述一种1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中加热温度为940～980℃，保温时间为70～90min，轧制变形率为40％～60％。

6.根据权利要求3所述一种1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中加热温度为880～920℃，保温时间为50～70min，轧制道次为0～15道次，轧制变形率为80％～90％。

7.根据权利要求3所述一种1050Mpa级强度低弹性模量钛合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中的退火温度为650～750℃，保温时间为60～80min。