[發明專利]一種生物醫用TiZrNbTa系高熵合金及其制備方法

有效

• 申請號: 201610137258.5
• 申請日: 2016-03-10
• 公開（公告）號: CN105734312B
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 吳淵;原園;呂昭平;王輝;劉雄軍;張飛;馬前;徐巍
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C1/02
• 分類號: C22C1/02;C22C27/02;C22C16/00;C22C30/00;C22C30/02;C22C30/04;C22C30/06
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明屬于高熵及生物醫用材料領域，提供了一種高強度低模量(Ti_aZr_b)_x(Nb_cTa_d)_yM_z系生物醫用高熵合金及其制備方法，該高熵合金在生物醫用材料方面具有很好的應用前景。

背景技術

高熵合金是指合金中包含三種或三種以上主要元素，每種元素的原子百分比在5％-35％之間。因為沒有一種合金元素的百分比超過35％，就可以充分發揮多組元高混亂度效應。在成分設計時，每種組元不一定要等原子比，這樣就可以進一步增大高熵合金設計的自由度，多元合金中各種元素可以類型相同，也可以類型不同還可以添加其他的微量元素來優化合金的組織與性能。

高熵合金完全不同于傳統金屬材料，它所帶來的不僅是全新的合金設計理念，而且產生了超乎異常的許多新現象，以及許多優異的性能。高熵合金大多形成了以簡單bcc/fcc固溶體為主的組織結構，凝固后并沒有形成數目眾多的金屬間化合物。高熵合金的這種特殊的結構克服了金屬間化合物和非晶合金所固有的脆性，也賦予了其優良的綜合性能。已有的研究發現，高熵合金具有一些不同于傳統合金的優異性能，如高強度、高硬度、良好塑性以及高的耐腐蝕性等。高熵合金的另一個特點是其超大范圍的模量可調節性，因此我們可以通過合金化或熱處理等方法獲得所需的低模量高強度生物醫用高熵合金材料。

生物醫用材料，是一類具有特殊性能，用于人工器官、外科修復、理療康復、診斷、和治療疾患、增進或恢復人體組織功能，而不會對人體產生不良影響的材料。19世紀末期，一些外科醫生使用金屬和天然生物材料治療骨骼缺損；20世紀20年代，生物醫用材料進入了新的階段，不銹鋼、金屬鈦和鈷基金屬合金廣泛應用于矯形外科；30年代，金屬鈦及其合金由于其接近人骨的密度，低的彈性模量，高的抗腐蝕性成為醫用金屬材料的首選；60年代，開創了用高分子材料制取人體器官的歷史。90年代初，由于材料學、細胞和分子生物學、以及醫學的發展，可以從細胞、蛋白和基因水平上研究材料與組織的相互作用，為解決臨床中出現的問題提供了可能性。生物材料可用于人體的不同部分，如人工心臟瓣膜、血管支架、肩、膝蓋、髖關節、肘、耳和牙等結構，也被用作心臟模擬器、尿管重建。而所有這些應用中，脊椎、髓部和膝關節的置換比例相當的高。人口老齡化、中青年創傷的增多、疑難疾病患者的增加和高新技術的發展促進了生物醫用材料的迅猛發展。

用于外科植入體尤其是承重應用的材料應該具備超高的力學強度、高的抗腐蝕性能和低彈性模量的良好組合以及高的抗疲勞性、耐磨損性、高韌性和無細胞毒性。目前，用于這些應用的材料有316L不銹鋼，鈷鉻合金和鈦基合金。不幸的是，這些材料與骨相比，由于彈性模量高，抗磨損和抗腐蝕性能低、生物惰性等多種原因，長期使用后會失效。

由于以上原因，使用現有的生物醫用材料已經難以滿足人們的需要，阻礙了生物醫用材料的進一步發展；另外，利用高熵合金的特點可以研發具有所需的醫療功能(如對硬組織替換材料而言，即理想的力學性能)、低彈性模量、良好的生物相容性(即絕對安全可靠性)、價格低、易加工成型的生物醫用材料。因此研發新型生物醫用高熵合金成為此領域新的研究方向。

發明內容

本發明內容針對目前生物醫用材料存在的彈性模量高、力學強度低、生物相容性不好，且高熵合金中未發明生物醫用材料的特點，提出了一種生物醫用TiZrNbTa系高熵合金及制備方法。

本發明的技術方案是：一種生物醫用TiZrNbTa系高熵合金，該高熵合金的表達式為：(Ti_aZr_b)_x(Nb_cTa_d)_yM_z，0≤a≤35at％，0≤b≤35at％，0≤c≤35，0≤d≤35at％，a+b＝x，c+d＝y，5≤x≤70at％，5≤y≤70at％，M是V、Mo、Sn、W、Mn、Al、Fe、Co、Ni、Cu、Cr及Zn中的任意一種或多種，0≤z≤35at％，且x+y+z＝100。

進一步，當a＝25，b＝25，c＝25，d＝25，則該高熵合金的化學式為Ti₂₅Zr₂₅Nb₂₅Ta₂₅。