CN115449667A - 一种高强度低弹性模量tenz合金及其制备方法 - Google Patents

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    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

Abstract

本发明提供了一种高强度低弹性模量TENZ合金及其制备方法，涉及钛合金材料制备及加工技术领域。本发明的高强度低弹性模量TENZ合金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。本发明的钛合金材料弹性模量为TC4/TC4ELI的80％～85％，抗拉强度为900～1000Mpa，与医用TC4/TC4ELI、TC20钛合金相当，屈服强度为800～900Mpa，与医用TC4/TC4ELI、TC20钛合金强度相当；伸长率大于18％，断面收缩率大于55％，塑性指标较TC4提高30％以上。同时，本发明的TENZ钛合金的中间合金为常规通用合金，制造成本适中，可工业化批产，且取消了具有微量毒性的Al、V加入，满足人体植入材料的无毒无害性并具有较好的生物相容性。

Description

一种高强度低弹性模量TENZ合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金材料制备及加工技术领域，尤其涉及一种高强度低弹性模量TENZ合金及其制备方法。
背景技术
医用钛合金的研究开发具有重大的经济效益和社会效益。β系钛合金具有良好的综合性能，是新一代生物医用优选金属材料。根据生物医用材料的发展需求，发明出综合性能良好的低弹性模量的钛合金，具有重要的科学意义和应用价值。
开发医学专用钛合金的出发点不仅要符合物理稳定性和化学稳定性条件，更重要的是满足生物相容性条件。目前使用最为广泛的Ti6Al4V合金虽有很好的生物相容性，但V的细胞毒性很强；替代V而开发出的Ti6Al7Nb合金达到无毒要求，但是Al的在人体内积累会对神经系统造成损害。鉴于常规钛合金中Al是必须添加元素，给无Al、无V钛合金的研制增加了难度。随着医学运动学等研究的深入，植入物材料与植入物部位弹性模量不一致性引起的“应力屏蔽”问题一直备受关注。为了保证低弹性模量，合金中一般含有大量高熔点元素，给医用钛合金熔炼中成分均匀性控制带来困难。从而高强高韧、抗腐蚀、低弹性模量材料成为新一轮研究的热点，其中不含有毒有害元素的β钛合金由于其综合优势更受到关注。然而，现有医学专用钛合金依然存在弹性模量较高、生物相容性差、成本较高等诸多不足。
发明内容
本发明针对常规医用TC4/TC4ELI合金、TC20合金存在的不足，从原材料准备、成分配比设计、锻造、轧制、热处理工艺等方面入手开展深入研究，以0级海绵钛、铌锆合金、海绵锆、钛钼合金、钛锡合金为主要添加原材料，提供了一种高强度低弹性模量TENZ合金及其制备方法。所述高强度低弹性模量TENZ合金及其制备方法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，所述合金元素的原料为0级海绵钛、铌锆合金、海绵锆、钛锡合金、钛钼合金、钛铁合金、氧化钛中的一种或几种。
进一步地，所述海绵钛的规格为0.83～12.7mm；铌锆合金为屑状；选用海绵锆规格为1～3mm；钛锡合金为屑状：钛钼合金规格为1～3mm；钛铁合金规格为1～3mm。
进一步地，所述铌锆合金中铌与锆的重量比为9:1，钛锡合金中钛与锡的重量比为2:8，钛钼合金中钛与钼的重量比为7:3，钛铁合金中钛与铁的重量比为68:32。
本发明还提供了所述高强度低弹性模量TENZ合金及其制备方法的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按成分配比原料后原料在模具中合理布料，液压机压制成电极杆；
(2)电极杆经3次熔炼得到
Figure BDA0003857232450000021
铸锭；本发明采用VAR炉对电极杆进行多次熔炼，保证了易偏析Mo、Nb、Fe等成分的均匀性；
(3)将铸锭锻造后轧制；
(4)将轧制后的材料进行大气炉退火；
(5)退火完成后的合金材料经校直，磨光，得到高强度低弹性模量TENZ合金及其制备方法。
进一步地，所述步骤(3)中锻造温度为900～1050℃，保温时间为60～90min，锻造变形率为50％～70％，终锻温度≥800℃。
进一步地，所述步骤(3)中轧制温度为850～950℃，保温时间为30～40min，轧制变形率为80％～95％，终轧温度≥700℃，轧制速度为1～3m/s。
进一步地，所述步骤(4)中退火温度为600～700℃，保温时间为50-70min。
进一步地，所述步骤(5)中校直机直线度≤0.2mm/m。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明采用0级海绵钛、铌锆合金、海绵锆、钛钼合金、钛锡合金为主要添加原材料，其中合金Nb属于β-Ti结构稳定及低弹性模量组元，Zr、Sn属于固溶强化组元，最终设计出的新型医用低弹性模量高强高塑无毒医用钛合金材料的弹性模量为TC4/TC4ELI的80％～85％，抗拉强度为900～1000Mpa，与医用TC4/TC4ELI、TC20钛合金相当，屈服强度为800～900Mpa，与医用TC4/TC4ELI、TC20钛合金强度相当；伸长率大于18％，断面收缩率大于55％，塑性指标较TC4提高30％以上。
本发明的TENZ钛合金的中间合金为常规通用合金，制造成本适中，可工业化批产，且取消了具有微量毒性的Al、V加入，满足人体植入材料的无毒无害性并具有较好的生物相容性。
具体实施方式
本发明提供了一种高强度低弹性模量TENZ合金及其制备方法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。
在一个实施例中，所述合金元素的原料为0级海绵钛、铌锆合金、海绵锆、钛锡合金、钛钼合金、钛铁合金、氧化钛中的一种或几种。
在一个实施例中，所述海绵钛的规格为0.83～12.7mm；铌锆合金为屑状；选用海绵锆规格为1～3mm；钛锡合金为屑状：钛钼合金规格为1～3mm；钛铁合金规格为1～3mm。
在一个实施例中，所述铌锆合金中铌与锆的重量比为9:1，钛锡合金中钛与锡的重量比为2:8，钛钼合金中钛与钼的重量比为7:3，钛铁合金中钛与铁的重量比为68:32。
本发明还提供了所述高强度低弹性模量TENZ合金及其制备方法的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按成分配比原料后原料在模具中合理布料，液压机压制成电极杆；
(2)电极杆经3次熔炼得到
Figure BDA0003857232450000031
铸锭；本发明采用VAR炉对电极杆进行多次熔炼，保证了易偏析Mo、Nb、Fe等成分的均匀性；
(3)将铸锭锻造后轧制；
(4)将轧制后的材料进行大气炉退火；
(5)退火完成后的合金材料经校直，磨光，得到高强度低弹性模量TENZ合金及其制备方法。
在一个实施例中，所述步骤(3)中锻造温度为900～1050℃，保温时间为60～90min，锻造变形率为50％～70％，终锻温度≥800℃。
在一个实施例中，所述步骤(3)中轧制温度为850～950℃，保温时间为30～40min，轧制变形率为80％～95％，终轧温度≥700℃，轧制速度为1～3m/s。
在一个实施例中，所述步骤(4)中退火温度为600～700℃，保温时间为50-70min。
在一个实施例中，所述步骤(5)中校直机直线度≤0.2mm/m。
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
一种制Φ18mmTENZ钛合金棒材的制备，步骤如下：
(1)成分设定：Mo：5.5％；Zr：6.7％；Nb：2.5％；Sn：2.5％；Fe：0.5％；O:0.15％；Ti：余量；
(2)海绵钛规格0.83～12.7mm；铌锆合金(90:10)规格屑状；海绵锆规格1～3mm；钛锡合金(20:80)规格屑状：钛钼合金(70:30)规格1～3mm；钛铁合金(68:32)规格1～3mm；
(3)按成分配比将海绵钛及其他原材料合理在模具中布料，使用液压机压制成密度约为4.0g/cm3电极杆；
(4)将电极杆在VAR炉中经3次熔炼成
Figure BDA0003857232450000043
铸锭；
(5)铸锭锯切冒底冒口及表面车光后进行锻造，温度控制：1050℃，保温时间70min；变形率为60％；终锻温度≥800℃；
(6)锻造完的棒坯经过修伤检查合格后，在电阻炉中加热、热轧至
Figure BDA0003857232450000044
Figure BDA0003857232450000045
棒坯。温度控制900℃，保温时间40min，变形率为90％；终轧温度≥700℃；轧制速度控制：2m/s；
(7)轧制完的棒坯在大气炉中进行退火，退火温度700℃，保温时间50-70min，空冷至室温；
(8)棒坯退火后余热斜辊校直，直线度不大于0.2mm/m；校直后磨削至棒材成品要求尺寸及粗糙度。
本实施例制备的棒材性能稳定、高强高韧低弹、无有害元素、工业化推广可行性高。对本实施例制得的合金棒材的化学成分、力学性能和弹性模量进行检测，结果如表1和表2所示。
表1 TENZ合金棒材的化学成分
Figure BDA0003857232450000041
注：β转变温度进行检测，结果为820℃；
表2 TENZ合金棒材的力学性能
Figure BDA0003857232450000042
Figure BDA0003857232450000051
对比例1
一种Φ18mmTi6Al4V钛合金棒材的制备，步骤如下：
(1)成分设定范围V：3.5～4.5％，Al：5.5～6.5％，O不大于0.2％，Fe不大于0.25％，Ti为余量；
(2)原材料0级海绵钛、铝钒合金、钛铁合金；海绵钛规格0.83～12.7mm；铝钒合金(45:55)规格0.25～6mm；钛铁合金(68:32)规格1～3mm；
(3)按成分配比将海绵钛及其他原材料合金在模具中合理布料，使用液压机压制成密度约为3.6g/cm3电极杆；
(4)将电极杆在VAR炉中经3次熔炼成
Figure BDA0003857232450000054
铸锭；
(5)铸锭锯切冒底冒口及表面车光后进行锻造；
(6)锻造完的棒坯经过修伤检查合格后，在电阻炉中加热、热轧至
Figure BDA0003857232450000055
Figure BDA0003857232450000056
棒坯；
(7)轧制完的棒坯在大气炉中进行退火，空冷至室温；
(8)棒坯退火后余热斜辊校直；校直后磨削至棒材成品要求尺寸及粗糙度。
对本对比例制得的合金棒材的化学成分、力学性能和弹性模量进行检测。
表3 Ti6Al4V合金棒材的化学成分
Figure BDA0003857232450000052
表4 Ti6Al4V钛合金棒材的力学性能
Figure BDA0003857232450000053
注：热处理制度加热温度700℃，保温时间70min；
经比较可知，实施例1与和对比例1均采用相同的工艺制备
Figure BDA0003857232450000057
合金棒材，与对比例1相比，实施例1棒材的强度相当，但塑性提高了30％，弹性模量降低了20％。
对比例2
一种Φ18mmTi6Al7Nb钛合金棒材的制备方法，步骤如下：
(1)成分设定范围Nb：6.5～7.5％，Al：5.5～6.5％，O不大于0.2％，Fe不大于0.25％，Ti为余量；
(2)原材料0级海绵钛、铝铌合金、钛铁合金；海绵钛规格0.83～12.7mm；铝铌合金(40:60)规格≤0.8mm；钛铁合金(68:32)，规格1～3mm；
(3)按成分配比将海绵钛及中间合金在模具中合理布料，使用液压机压制成密度约为3.6g/cm3电极杆；
(4)压制的电极杆在VAR炉中经2次熔炼成
Figure BDA0003857232450000063
铸锭；
(5)铸锭锯切冒底冒口及表面车光后进行锻造；
(6)锻造完的棒坯经过修伤检查合格后，在电阻炉中加热、热轧至
Figure BDA0003857232450000064
Figure BDA0003857232450000065
棒坯；
(7)轧制完的棒坯在大气炉中进行退火，空冷至室温；
(8)棒坯退火后余热斜辊校直；校直后磨削至棒材成品要求尺寸及粗糙度。
对本对比例制得的合金棒材的化学成分、力学性能和弹性模量进行检测，结果如表5和表6所示。
表5 Ti6Al7Nb合金棒材的化学成分
Figure BDA0003857232450000061
表6 Ti6Al7Nb钛合金棒材的力学性能
Figure BDA0003857232450000062
注：热处理制度加热温度700℃，保温时间70min；
经比较可知，实施例1与和对比例2均采用相同的工艺制备
Figure BDA0003857232450000071
合金棒材，与对比例2相比，实施例1棒材的强度相当，但塑性提高了30％，弹性模量降低了16％。
由此可见，采用本发明制备的TENZ合金棒材更接近人体骨骼弹性模量，其强度与现有钛合金材料相当，但塑性更高，其高强高韧低弹的特性能够满足医用植入物的力学指标需求，同时满足人体植入无毒无害的安全性要求，是新一代生物医用优选钛合金材料。
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 (9)

1.一种高强度低弹性模量TENZ合金，其特征在于，包括以下重量百分比的合金元素：Nb2.0％～3.0％，Zr 5.5％～6.5％，Mo 6.0％～7.0％，Sn 0.5％～1.5％，Fe 0.3％～0.7％，O 0.12％～0.20％，余量为Ti。
2.根据权利要求1所述的一种高强度低弹性模量TENZ合金，其特征在于，所述合金元素的原料为0级海绵钛、铌锆合金、海绵锆、钛锡合金、钛钼合金、钛铁合金、氧化钛中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的一种高强度低弹性模量TENZ合金，其特征在于，所述海绵钛的规格为0.83～12.7mm；铌锆合金为屑状；选用海绵锆规格为1～3mm；钛锡合金为屑状：钛钼合金规格为1～3mm；钛铁合金规格为1～3mm。
4.根据权利要求3所述的一种高强度低弹性模量TENZ合金，其特征在于，所述铌锆合金中铌与锆的重量比为9:1，钛锡合金中钛与锡的重量比为2:8，钛钼合金中钛与钼的重量比为7:3，钛铁合金中钛与铁的重量比为68:32。
5.权利要求1～4任一项所述的一种高强度低弹性模量TENZ合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按成分配比原料后原料在模具中合理布料，液压机压制成电极杆；
(2)电极杆经3次熔炼得到
Figure FDA0003857232440000011
铸锭；
(3)将铸锭锻造后轧制；
(4)将轧制后的材料进行大气炉退火；
(5)退火完成后的合金材料经校直，磨光，得到高强度低弹性模量TENZ合金及其制备方法。
6.根据权利要求5所述的一种高强度低弹性模量TENZ合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中锻造温度为900～1050℃，保温时间为60～90min，锻造变形率为50％～70％，终锻温度≥800℃。
7.根据权利要求5所述的一种高强度低弹性模量TENZ合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中轧制温度为850～950℃，保温时间为30～40min，轧制变形率为80％～95％，终轧温度≥700℃，轧制速度为1～3m/s。
8.根据权利要求5所述的一种高强度低弹性模量TENZ合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中退火温度为600～700℃，保温时间为50-70min。
9.根据权利要求5所述的一种高强度低弹性模量TENZ合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中校直机直线度≤0.2mm/m。
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杨锐等: "高强度低模量医用钛合金Ti2448的研制与应用", 《新材料产业》 *

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