[發(fā)明專利]一種Ti-Mg合金材料及其制備方法和應用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410502175.2
• 申請日: 2014-09-26
• 公開（公告）號: CN104313391A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設計）人: 劉詠;程銘;羅濤;李開洋;李建波
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/04;A61L27/06
• 代理公司: 長沙朕揚知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 43213
• 代理人: 楊斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及合金材料領(lǐng)域，尤其涉及一種Ti-Mg合金材料及其制備方法和應用。

背景技術(shù)

醫(yī)用鈦合金的應用最早可以追溯到20世紀40年代，Both和Leventhal進行了動物實驗研究，證實純鈦有良好的組織相容性。20世紀70年代，純鈦和鈦合金開始被大量用于制備人工關(guān)節(jié)、人工骨等替換材料。從20世紀70年代后期開始，Ti-6Al-4V合金憑借其高強度、低彈性模量、優(yōu)異的耐腐蝕性能和耐摩擦性能在人工關(guān)節(jié)修復領(lǐng)域得到更多應用。為了避免釩對人體的毒性，歐洲研究者在80年代中期開發(fā)了兩種無釩的α+β型Ti-5Al-2.5Fe合金和Ti-6Al-7Nb合金，即第二代醫(yī)用鈦合金。這兩種合金由于不含釩而具有更好的生物相容性，但它們?nèi)院卸拘栽谹l，而且它們的彈性模量比人體骨大得多，容易產(chǎn)生“應力屏蔽效應”，導致植入失敗。具有更低模量且有較高強度和耐磨性的β鈦合金成為醫(yī)用鈦合金的主要研究方向。β鈦合金主要靠添加β相穩(wěn)定元素，生成β相來降低合金的彈性模量。大量研究發(fā)現(xiàn)，Mo、Nb、Ta和Zr元素具有較好的生物相容性和生物安全性，以Ti-Mo，Ti-Nb，Ti-Ta和Ti-Zr為基體的β鈦合金憑借優(yōu)良的性能成為研究的重點。但是Mo、Nb、Ta和Zr等金屬的價格昂貴，成本較高，且這些鈦合金的彈性模量仍比人骨的彈性模量要高，因此研究Ti-Mg合金為降低鈦合金成本和彈性模量提供了方向。

純鎂的密度為1.738g/cm³，鎂合金的密度為1.75～1.85g/cm³，都非常接近于人體密質(zhì)骨的密度（1.75g/cm³）。鎂合金具有許多傳統(tǒng)生物醫(yī)用材料所不具備的優(yōu)點：鎂合金的彈性模量接近于人骨的彈性模量；鎂合金生物相容性優(yōu)良；鎂對于人體是完全無毒的。人體本身就含有大量的鎂離子，研究表明平均每70kg重的人體中含有大約35g的鎂，且人體每天需要攝入375mg的鎂。與醫(yī)用陶瓷材料相比，鎂合金具有良好的力學強度和高斷裂韌性，更適合于作為硬組織植入材料。生物醫(yī)用鎂合金憑借其良的生物相容性和生物活性在骨科內(nèi)置物、骨組織工程支架、心血管支架、外科手術(shù)和牙科種植材料領(lǐng)域得到了一定的應用。雖然鎂及其合金作為生物材料的研究已經(jīng)有將近兩個世紀的歷史，其在生物材料領(lǐng)域也顯示了廣闊的應用前景，但是生物醫(yī)用鎂合金的研究還處于起步階段，其從基礎研究到臨床應用仍需要進一步的探究。大量研究表明，降解速率過快已經(jīng)成為限制鎂合金在生物材料領(lǐng)域應用的最主要原因。

據(jù)報道，已有很多研究人員通過各種不同的方法將抗腐蝕性能優(yōu)良的Ti元素加入到鎂合金中去，從而制備出抗腐蝕性能得到改善的Mg-Ti二元合金。然而，作為一種新型的合金材料，人們尚未完全認識到鈦鎂系合金眾多的性能和特點，目前大部分研究者主要就其儲氫性能和光電性能展開研究。

用機械合金化的方法制備Ti-Mg合金，是以鈦粉和鎂粉為原材料，混合成一定比例的混合料，與相應比例的磨球一同裝入球磨罐中，放入高能球磨機中進行球磨。在高速運轉(zhuǎn)過程中，混合粉會與球磨罐中的磨球發(fā)生激烈碰撞和摩擦，從而使得兩種金屬粉末在強力作用下結(jié)合起來，形成合金，該合金即為固溶體。由于機械合金化能夠起到擴展固溶度的作用，可以大大提高Mg在Ti中的固溶度，使其固溶度從0.3at.%擴展到6at.%。各種實驗研究表明，機械合金化的確能夠提高Mg在Ti中的固溶度。此外，用機械合金化方法制備出的鈦鎂合金具有良好的儲氫性能，被廣泛應用于汽車制造等領(lǐng)域，能夠有效降低車輛的能源消耗。

放電等離子燒結(jié)（Spark?Plasma?Sintering,?SPS）是一種低溫、快速、節(jié)能和環(huán)保的新材料制備技術(shù)，它將等離子活化、加壓和燒結(jié)融為一體，在粉末顆粒之間通以高頻或直流的脈沖電流來加熱粉末并同時施加壓力，從而實現(xiàn)燒結(jié)致密化。在20世紀70年代中期以前，很少有關(guān)于放電等離子燒結(jié)的報道。直到80年代前后，SPS技術(shù)才開始推廣應用。1988年，第一臺工業(yè)型放電等離子燒結(jié)設備在日本誕生，并迅速在新材料制備上得到推廣。由于SPS技術(shù)擁有低溫、快速和高致密度等優(yōu)勢，現(xiàn)在國外許多科研院所和高等院校相繼配備了SPS設備，并利用SPS設備進行新材料的研發(fā)。

現(xiàn)有技術(shù)有利用機械合金化和放電等離子燒結(jié)的方法制備其他合金，但球磨是一個復雜的體系，不同元素合金需要用到的工藝參數(shù)各不相同，這些工藝參數(shù)需要通過大量的實驗進行探索才能得出。而且到目前為止，國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于利用機械合金化和放電等離子燒結(jié)制備新型生物醫(yī)用材料Ti-Mg合金研究的報道。此外，關(guān)于鈦鎂系材料應用于生物材料領(lǐng)域也報道較少。