[發明專利]β鈦合金組合物及其制備方法

有效

• 申請號: 201310221047.6
• 申請日: 2013-06-04
• 公開（公告）號: CN103334029A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 林正捷;呂維潔;王立強;薛曉冰;覃繼寧;張荻
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22F1/18
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中;牛山

技術領域

本發明涉及一種鈦合金材料及其制備方法，具體地，涉及一種β鈦合金組合物及其制備方法。

背景技術

作為醫用金屬材料，應具備無毒性、抗生理腐蝕性、優良的生物相容性和力學相容性以及易加工性等特點。應用鈦合金由于其具有質量輕、無毒性、耐腐蝕、優異的生物相容性等特點，一直是國內外學者重點研究的醫用材料。醫用鈦合金的發展可追溯到20世紀40年代初期，Bothe等人首先將純鈦引入到生物醫學領域，發現鈦與老鼠股骨之間無任何不良反應。純鈦在生理環境中具有良好的抗腐蝕性能，但其強度較低，耐磨損性能較差，限制了它在承載較大部位的應用，目前主要用于口腔修復及承載較小部分的骨替換。相比之下，Ti-6Al-4V合金具有較高的強度和較好的加工性能，70年代后期被廣泛用作外科修復材料，如髖關節，膝關節等。同時，Ti-3Al-2.5V合金也在臨床上被用作股骨和脛骨替換材料。但這類合金含有V和Al兩種元素，V被認為是對生物體有毒的元素，Al元素對生物體的危害是通過鋁鹽在體內的蓄積而導致器官的損傷，另外Al元素還可引起骨軟化、貧血和神經紊亂等癥狀,而且這類合金耐蝕性相對較差。另外它們的彈性模量與骨相比仍有較大差距，容易產生“應力屏蔽”，從而導致種植體周圍出現骨吸收，最終引起種植體松動或斷裂而導致種植失敗。因此，研究開發生物相容性更好、彈性模量更低、綜合性能更優的新型生物醫用鈦合金，以滿足臨床對植入件材料的要求，已成為生物醫用材料研究的主要方向，而β型醫用鈦合金正是適應這一要求而得以迅速發展的。

20世紀90年代以來，人們通過添加無毒元素Nb、Ta、Zr等，已經開發出一系列的低模量β鈦合金，如Ti-13Nb-13Zr合金，Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金，Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金等。其中Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金具有良好的生物相容性和抗蝕性，其彈性模量為55GPa，被認為是最有應用前景的典型生物醫用β-鈦合金之一。但這些合金的強度不高，為了提高β鈦合金的強度，需要開發一些特殊工藝使得提高β鈦合金強度的同時塑性不會過分降低，且彈性模量仍舊保持一個較低數值。

大量研究表明，細晶強化可以改善材料塑性變形能力，實現提高強度與塑性的優化。劇烈塑性變形法（簡稱SPD）可以顯著細化晶粒，使材料微觀組織細化至微米級甚至納米級，達到提高材料綜合力學性能的目的。近幾年來，劇烈塑性變形法得到快速的發展，目前主要包括高壓扭轉法（簡稱HPT）、累積疊扎法（簡稱ARB）和等徑角擠壓法（簡稱ECAP）。其中等徑角擠壓法是20世紀80年代前蘇聯學者Segal為獲得純剪切變形而開發的一種大塑性變形的方法。與其他方法相比，等徑角擠壓法的優勢在于變形前后不改變材料的形狀，及制備工藝簡單易行，成本低，晶粒細化效果明顯，適合制備較大的塊狀細晶材料。目前，國內外學者利用HPT法和ARB法改善Ti-Nb-Ta-Zr合金強度已有報道，如H.?Yilmazer等利用高壓扭轉法處理Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr合金，但這種方法只適合于制備較小的薄片狀材料，且高壓扭轉后難以得到等軸晶粒。Damon?Kent等利用累積疊扎法將Ti–25Nb–3Zr–3Mo–2Sn合金扎成板材，雖然材料強度得到很大的提高，但是塑性卻急劇下降。綜上所述，人們還未找到一種有效的方法使得提高β鈦合金強度的同時塑性不會過分降低且彈性模量仍舊保持一個較低數值。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種β鈦合金組合物及其制備方法。

本發明是通過以下技術方案實現的，

第一方面，本發明涉及一種β鈦合金組合物，所述組合物由如下質量百分比的各組分組成：Ti?????57～59%，

???Nb?????36～37%，

???Ta?????2～2.5%，

???Zr?????3～3.5%。

第二方面，本發明涉及前述β鈦合金組合物的制備方法，所述方法包括如下步驟：

步驟一，將所述β鈦合金組合物的各組分按下述質量百分比Ti57～59%、Nb36～37%、Ta2～2.5%、Zr3～3.5%配料，經充分混合后，壓制成電極；

步驟二，所述電極在真空自耗電弧爐中進行熔煉，得鑄錠；

步驟三，將鑄錠進行熱加工，熱處理，得粗制β鈦合金組合物；

步驟四，將所述粗制β鈦合金組合物切割成坯料，進行表面預處理；

步驟五，將等徑彎角擠壓模具和所述坯料預熱，在所述坯料和所述模具型腔內表面涂敷石墨潤滑劑；將所述坯料放入所述等徑彎角擠壓模具內，加熱保溫；