[發(fā)明專利]亞穩(wěn)β型Ti－Nb－Ta－Zr－O合金及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810032467.9
• 申請日: 2008-01-10
• 公開（公告）號: CN101215655A
• 公開（公告）日: 2008-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭文淵;孫堅;姚強;邢輝
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22F1/18;A61L27/06
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種醫(yī)療器件技術(shù)領(lǐng)域的鈦合金其制備方法，具體地說，是一種亞穩(wěn)β型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金及其制備方法。

背景技術(shù)

鈦合金由于具有較高的強度、較低的彈性模量、良好的生物相容性以及優(yōu)良的耐腐蝕性能，已經(jīng)逐漸取代不銹鋼和鈷基合金成為骨骼和牙齒等硬組織的替代材料。目前臨床上應用最為廣泛的鈦合金是α+β型Ti-6Al-4V，但該合金在植入人體一定時間以后由于磨損和腐蝕會釋放出具有細胞毒性和神經(jīng)毒性的Al離子，引起骨軟化、貧血和神經(jīng)紊亂等癥狀，此外V也被認為是對生物體有毒的元素；而且該合金的彈性模量在115GPa左右，仍大大高于人骨的彈性模量(小于40GPa)。因此，從九十年代開始各國科學家致力于研發(fā)生物相容性更好、彈性模量更低的β鈦合金，而Nb、Ta、Zr、Sn和Mo等無毒元素逐漸成為合金的主要添加元素。

經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，國外和國內(nèi)已有多個有關(guān)具有低彈性模量和超彈性特性的生物醫(yī)用鈦合金的專利申請，主要是Ti-Nb-Zr和Ti-Nb-Ta系鈦合金系列，其主要代表性專利包括：美國專利(4857269、5545227、5573401和5169597)；以及國內(nèi)發(fā)明專利(申請?zhí)?00410020501.2、200410092858.1、200510042894.1、200610011076.X和200710036677.0)。這些β型鈦合金當中典型的合金為美國在九十年代后期開發(fā)出的Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金，Ahmed等人在“Titanium?95’：Science?and?Technology(鈦95：科學與工程)”，1996：1760-1767上發(fā)表了“A?new?low?modulus?biocompatible?titanium?alloy(一種新型低模量生物相容鈦合金)”，該文首次報道一種應用真空電弧爐熔煉并經(jīng)后續(xù)固溶處理的新型β鈦合金Ti-35Nb-5Ta-7Zr。Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金與Ti-6Al-4V合金相比，雖然具有更低的彈性模量(55GPa)和優(yōu)良的生物相容性，但其拉伸強度卻很低，僅為590MPa，因此Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金在醫(yī)學領(lǐng)域的應用受到了一定的限制。其次，這些β型鈦合金的超彈性的獲得一般是通過應力誘發(fā)馬氏體相變所產(chǎn)生的偽彈性，并不是真實的彈性變形，因此合金的使用溫度強烈限制于合金的馬氏體轉(zhuǎn)變以及馬氏體逆轉(zhuǎn)變溫度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種亞穩(wěn)β型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金及其制備方法。本發(fā)明合金具有超彈性(真實彈性變形)、低模量、高強度、無生物毒性、耐腐蝕、生物相容性好且易加工成型，該合金可廣泛應用于生物植入體以及其它醫(yī)療器件。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明所涉及的亞穩(wěn)β型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金，包含的組分及其重量百分比含量為：35-38％Nb，0-3％Ta，2-4％Zr，0.2-0.8％O，余量為Ti。

所述亞穩(wěn)β型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金中，Nb和Ta的總重量百分比含量在38％-41％之間，Ta和Zr的總重量百分比含量在3％-7％之間。

本發(fā)明上述β型鈦合金成分設(shè)計的主要原則為：1)選擇合金體系成分所對應的合金價電子濃度e/a控制在4.10-4.25范圍，從晶體的彈性穩(wěn)定性分析，該合金成分處于β相向α六方結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)變臨界點β相區(qū)，其彈性模量為最低；2)合金元素的選擇應使β相有足夠的穩(wěn)定性，在合金的加工和使用過程中避免合金中有高彈性模量的ω以及α″等亞穩(wěn)相析出，使合金彈性模量提高；3)采用鈮、鉭和鋯等無生物毒性金屬元素；4)合金中含有一定量的無毒間隙元素氧。

本發(fā)明所涉及的Ti-Nb-Ta-Zr-O合金的制備方法，包括以下步驟：

1)采用真空自耗電弧爐熔煉方法獲得成分均勻的Ti-Nb-Ta-Zr-O合金；

2)熔煉獲得的Ti-Nb-Ta-Zr-O合金鑄錠，在溫度范圍進行熱加工處理；

3)經(jīng)上述處理的Ti-Nb-Ta-Zr-O合金在溫度范圍經(jīng)固溶淬火處理后冷卻，以獲得單相β組織；

4)在室溫下對固溶態(tài)Ti-Nb-Ta-Zr-O合金進行冷加工處理，獲得各種合金棒材和板材。

步驟1)中，所述Nb以鈦鈮中間合金的形式加入，Ta以鉭鋯中間合金的形式加入。

步驟1)中，所述Ti、Nb、Ta、Zr、O按照配比配料后壓制成電極，在真空自耗電弧爐中采用分級真空熔煉以獲得成分均勻的Ti-Nb-Ta-Zr-O合金。