一种改进的医用低模量钛合金及其制备方法
【专利说明】一种改进的医用低模量钛合金及其制备方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于材料学领域，涉及一种钛合金，具体来说是一种改进的医用低模量钛合金及其制备方法。
【背景技术】
[0003]目前，骨科、牙科植入物和其它辅助治疗器件对生物医用金属材料性能的要求越来越高。金属植入材料主要包括奥氏体不锈钢、Co-Cr合金、贵金属和钛合金。1940年钛被发现与骨之间无任何不良反应，使钛合金成为了新型生物医用材料。但是，目前普遍应用的医用钛合金T1-6A1-4V弹性模量为骨弹性模量的4?10倍。如果植入材料与骨之间的弹性模量差异过大，将发生“应力屏蔽”现象，即外载荷主要由植入物承担，不能很好地传递到相邻骨组织，从而导致植入物周围出现骨吸收，最终引起植入物松动、断裂甚至失败。通过对钛合金在基础研究和临床应用中的经验总结，Nb、Ta、Zr、Mo、Sn和Hf等元素添加可用于发展弹性模量低、强度高、耐蚀性好、耐磨性高的新型β钛合金，以适应临床对植入物材料的实际需求。
[0004]在新型β钛合金中，T1-Nb系β钛合金由于具有形状记忆效应，超弹性，低模量，抗腐蚀性能高，生物相容性良好等优点，具有良好的应用前景。但目前的医用低模量β钛合金难以较好地满足医用性能要求，这是由于单一的钛合金难以同时满足低模量和表面高强度高耐磨这一对相互矛盾的性能需求。
[0005]经查新，共检索到有关专利如下:
申请号为CN200410092858的专利公开了一种T1-Nb-Zr钛合金。该T1-Nb-Zr合金，化学成分为20?35 wt%Nb，2?15 wt% Zr，余量为Ti和不可避免的杂质元素。该发明提供的钛合金具有良好的冷加工性能和很低的加工硬化率，可以通过冷乳制和冷拔丝等冷加工工艺进行大尺度冷变形。该合金具有超弹性、形状记忆和阻尼功能以及低弹性模量、高强度、耐腐蚀和高人体相容性。
[0006]申请号为CN201110001725的专利公开了一种高强度、低模量和高阻尼β钛合金的制备方法。该合金成分为T1-24Nb-4Zr-8Sn，将该合金在200°C?400°C中温旋锻处理，得到亚微米的晶粒，然后将旋锻后的合金在50°C?150°C乳制处理，进一步细化晶粒，可以制备出强度为1000?1200MPa，模量为40?60GPa，塑性为8?12%的高强度钛合金。
[0007]申请号为CN201410079323的专利公开了一种TiNbTaZr低模量钛合金及其表面处理的方法。所述合金含Nb 34?36 wt%，Zr 2.5?3.5 wt%，Ta 1.5?2.5 wt%，余量为Ti。所述方法为，在氩气保护条件下，将表面光滑的TiNbTaZr低模量钛合金固定在搅拌摩擦焊设备的工作台上安装，表面搅拌摩擦处理。该方法处理后的TiNbTaZr低模量钛合金表面具有超细晶结构，高的强度，较好的耐磨性，较好的表面生物相容性。
[0008]申请号为CN201310676848的专利公开了一种高强度低模量的亚稳β钛合金牙弓丝。该牙弓丝的名义化学成分按质量百分比计为Mo 11%、Nb 3%、Zr 5%、Sn 4%，余量为钛和不可避免的杂质。本发明牙弓丝的生物相容性良好，抗拉强度高，弹性模量低，具有宽泛的弹性范围和良好的回弹性；并且其矫治力比不锈钢丝低，但比镍钛合金丝高，弹性模量仅及不锈钢丝的1/4?1/3，具有比不锈钢丝更宽的弹性范围和矫治位移范围。利用该方法牙弓丝能够获得稳定温和的矫治力和持久缓和的位移，无需或很少更换矫形丝即可实现牙齿的较大位移。
[0009]由以上可见，低模量和高的强度高耐磨是医用钛合金应该同时具有的性能。Nb含量对β钛合金的性能有显著影响。一般情况下，在Ti中上加入1%的Nb，马氏体相变温度就会降低20Κ，有利于获得室温β相，同时合金的超弹性应变随Nb含量的增加而增大，但材料硬度会下降，屈服强度在加载循环数次后，也明显下降。如，对于T1-Nb-Zr-Ta合金中固定Ta和Zr的量分别为10% (质量分数)和5%，而Nb量分别为20%，25%，30%，35%时，在拉伸实验中合金表现出不同的力学性质。当Nb量为20%和25%时呈现应力诱发马氏体逆相变的形状记忆行为，弹性模量较高；当Nb为30%时呈现超弹性行为；当Nb量为35%时，弹性模量最低同时合金表面硬度和耐磨性下降。
[0010]此外，氧元素能显著增加钛合金的弹性变形量和合金强度。氧含量0.3%时，合金的弹性应变仅为I。要获得良好的弹性性能，氧含量不得低于0.7%。当氧含量为1%时，弹性应变增大到2.5。氧含量对强度的影响非常明显。氧含量为3%固溶合金的抗拉强度可达1600 MPa，时效处理后强度增加到2000 MPa。
【发明内容】
[0011]针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种改进的医用低模量钛合金及其制备方法，所述的这种改进的医用低模量钛合金及其制备方法解决了现有技术中单一的钛合金难以同时满足低模量和表面高强度高耐磨的技术问题。
[0012]本发明提供了一种改进的医用低模量钛合金，由一个高铌低氧的钛合金基体构成，在所述的高铌低氧的钛合金基体的上面设置有一层低铌高氧的表面层，在所述的高铌低氧的钛合金基体中，所述的铌的质量百分比为20?40%，所述的氧的质量百分比为0.01?0.2 %，所述的低铌高氧的表面层由钛、铌和二氧化钛混合粉末制备而成，在所述的低铌高氧的表面层中，所述的铌的质量百分比为5?20 %，所述的氧的质量百分比为0.3?3 %，余量为钛。
[0013]本发明还提供了上述的一种改进的医用低模量钛合金的制备方法，包括如下步骤:
1)一个对高铌低氧的钛合金样品进行表面清理、打磨的步骤；
2)一个制备混合粉末的步骤，所述的混合粉末由钛粉、铌粉和二氧化钛粉末组成，在所述的混合粉末中，所述的铌的质量百分比为5?20%，所述的氧的质量百分比为0.3?3%，余量为钛；
3)在一个样品室中，在高铌低氧的钛合金的表面采用激光对混合粉末进行熔覆，熔覆的过程中采用惰性气体保护，激光功率为l~2Kw，光斑直径70um，扫描速度为100~150 mm/s，样品室的温度在70~90°C，熔覆后冷却；
4)对钛合金恪覆层进行清理、打磨。
[0014]进一步的，所述的恪覆层厚度在100?500um之间。
[0015]具体的，在所述的高铌低氧的钛合金基体中，除了铌和氧元素外，还有钛和其它金