[發明專利]一種低彈性模量亞穩β鈦合金及制備方法

有效

• 申請號: 201410036212.5
• 申請日: 2014-01-24
• 公開（公告）號: CN103740982B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發明（設計）人: 劉會群;高頎;易丹青;王鼎春;尹勝利;楊奇;石為民
• 申請（專利權）人: 寶鈦集團有限公司;中南大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/02;C22F1/18
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所43114
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明涉及一種鈦合金材料及制備方法，特別涉及一種低彈性模量亞穩β鈦合金及制備方法；屬于鈦合金材料制備技術領域。

背景技術

與不銹鋼和鈷鉻鉬合金等傳統的醫用金屬材料相比，鈦及鈦合金以其良好的綜合力學性能、耐蝕性以及優異的生物相容性，逐漸成為矯形外科、種植以及口腔修復等醫學領域的首選材料。

生物醫用鈦及鈦合金的發展可分為三個時代，第一個時代以純鈦（α型）和Ti-6A1-4V（α+β型）為代表。20世紀50年代，人們開始利用純鈦來制造接骨板和螺釘等，作為骨科內固定材料應用于臨床。雖然純鈦在生理環境中具有良好的抗腐蝕性能和生物相容性，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。相比之下，Ti-6A1-4V具有較高的強度和較好的加工性能，這種合金最初是為航天應用設計的，70年代后期被廣泛用作外科植入材料和修復材料，如髖關節，膝關節等。同時，Ti-3A1-2.5V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A1兩種元素，V容易聚集在骨、肝、腎、脾等器官，具有很強的細胞毒性，另外Al元素也存在潛在的毒性，長期植入會引起骨軟化、貧血和神經紊亂等癥狀，而且這類合金耐蝕性相對較差，彈性模量較高（～110GPa），相對于人骨的彈性模量（10～40GPa）偏高，這種種植體與骨之間彈性模量的不匹配，將使得載荷不能由種植體很好地傳遞到相鄰骨組織，出現“應力遮擋”現象，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，造成種植體失敗。第二個時代（80年代中期）是以瑞士和德國相繼開發的(α+β)型Ti-6A1-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe合金為代表。這類合金以無毒元素Nb、Fe替代有毒元素V，消除了V元素對人體的毒副作用，并且強度有所提高。但是其仍含有Al元素，彈性模量約105GPa，相對于人骨仍然偏高。因此，開發研究含無毒元素、生物相容性更好、彈性模量更低的高強度新型醫用鈦合金，以滿足臨床對植入體的要求，成為第三代醫用鈦合金材料的主要研制目標。90年代初期，美國和日本開始選用Nb，Ta，Zr，Mo和Sn等無毒元素替代V和A1，開發了一系列無毒性、低彈性模量醫用β型鈦合金。美國開發的合金主要有：Ti-13Nb-13Zr、Ti-12Mo-6Zr-2Fe(TMZF)、Ti-15Mo及Ti-35Nb-5Ta-7Zr(TNTZ)等。日本開發的合金主要有：Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr、Ti-15Zr-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd等。相對于第一代和第二代醫用鈦合金，這類新型β型鈦合金的耐腐蝕性能和生物相容性得到了明顯的提高，而且彈性模量下降了30～50GPa，大概在55～85GPa范圍內。Ti-35Nb-5Ta-7Zr合金的彈性模量雖然能降低到55GPa時，但此時合金的抗拉強度卻不到600MPa。并且該合金含有大量的難熔金屬如Nb和Ta，尤其是Ta的熔點高達2996℃，密度高達16.68g/cm³，給熔煉和加工帶來很大的困難，并且Ta的價格比較貴，從而增加了材料的成本。

我國在醫用鈦合金材料的研發方面起步比較晚，1972年開始從事鈦及鈦合金在醫學特別是在矯形外科方面的研究與應用，80年代研制成功Ti-Ni功能材料，“八五～九五”期間，仿制了Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6A1-7Nb，開發了Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr（TAMZ）合金，“十五”期間，開始研制β型鈦合金。其中最具有代表性的是中科院金屬所設計開發的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(Ti2448)和西北有色金屬研究院開發的Ti-(15～25)Nb-(3)Mo-(3～5)Zr（TLE）和Ti-(15～25)Nb-(3～6)Mo-(3～5)Zr-(1～2)Sn(TLM)等β鈦合金。TLM和TLE合金的抗拉強度在580～1000MPa，彈性模量在50～90GPa之間，相對于人骨，彈性模量仍然偏高。Ti2448合金彈性模量較低，彈性好，較適合制作彈性骨板和動態固定器。研究開發一種模量可調、強度高、具有多功能用途的新型β型鈦合金生物醫用材料及配套加工技術，是未來醫用鈦合金的一個重要的發展方向。

發明內容

針對現有鈦合金尤其是生物醫用鈦合金存在的彈性模量偏高，含有有毒元素，用途單一化的缺點，本發明提供了一種彈性模量更接近人體骨骼彈性模量，不含有毒元素的低彈性模量亞穩β鈦合金及制備方法。

本發明所述的一種低彈性模量亞穩β鈦合金，其成分以質量百分比計為：

Nb??18～27%；

Mo??0.5～2%；