[發明專利]一種快速篩選低彈性模量生物鈦合金的方法

有效

• 申請號: 201810874848.5
• 申請日: 2018-08-03
• 公開（公告）號: CN109055815B
• 公開（公告）日: 2020-02-07
• 發明（設計）人: 陳偉民;李衛
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22F1/18;G01N3/42
• 代理公司: 44245 廣州市華學知識產權代理有限公司
• 代理人: 陳燕嫻;雷月華

本發明屬于材料研究方法領域，具體涉及一種快速篩選低彈性模量生物鈦合金的方法。該方法首先根據相圖計算結果確定BCC相鈦合金中的兩個端際組元成分，然后根據該成分，以純金屬為原料，依次經過熔煉、線切割、退火得到兩個端際組元，再將兩個端際組元固定在一起退火處理，得到擴散偶，最后對擴散偶中的BCC相進行成分梯度分析和彈性模量測試，即得到鈦合金成分與彈性模量的對應關系，從而確定低彈性模量生物鈦合金的組成。該篩選方法易于實現、高效快捷，較傳統研究方法可極大節約研發、人力和時間成本。在短時間內獲得大量近似連續的相組成?合金成分?彈性模量對應實驗數據信息，有助于對于BCC相鈦合金體系進行全面、系統的認識。

技術領域

本發明屬于材料研究方法領域，具體涉及一種快速篩選低彈性模量生物鈦合金的方法。

背景技術

生物鈦合金是非常重要的工業材料，由于其較低的彈性模量和良好的生物相容性，被作為人體硬組織植入材料廣泛應用于臨床醫療中。考慮到對人體的無毒性，生物鈦合金中主要的添加元素包括Cr、Fe、Hf、Mn、Mo、Nb、Sn、Ta、W和Zr等，含有以上添加元素的鈦合金經過固溶處理后形成BCC相鈦合金。目前，Ti-Nb基、Ti-Zr基、Ti-Nb-Zr基、Ti-Nb-Ta-Zr基和Ti-Nb-Zr-Sn基合金是低彈性模量生物鈦合金研發的主要合金體系，而Ti-Cr基、Ti-Fe基和Ti-Mn基合金則是低成本生物鈦合金的相關合金體系。相較于傳統的純Ti和Ti-Al-V合金而言，這些BCC相鈦合金的生物相容性更好，彈性模量更低，具有較大替代傳統臨床生物金屬材料的潛力。

在不同BCC相鈦合金體系中，確定最低彈性模量對應的合金成分是十分重要的研究工作。傳統的合金開發主要是逐一對單一成分樣品進行材料性能測試，再進行對比分析，從而遴選出所測樣品中性能最優的合金。該方法一方面需要耗費大量的人力物力進行大批量的實驗，且難以保證實驗結論的嚴謹性，另一方面，由于實驗點的有限性，使研究者對于BCC相鈦合金體系缺乏全面、系統的認識，進而導致相關基礎理論研究和產品研發陷入瓶頸。因此，高效快捷地獲取BCC相鈦合金的合金成分和彈性模量等實驗數據，從而快速篩選出低彈性模量的生物鈦合金對于新型高性能生物鈦合金研發和相關機理的認識都具有重要且深遠的意義。

發明內容

為克服現有技術的缺點和不足，本發明的首要目的在于提供一種快速篩選低彈性模量生物鈦合金的方法。該方法是一種可高效研究多元鈦合金體系的相組成、合金成分和彈性模量的方法，可在單一樣品上得到不同成分合金界面的梯度變化結合區域，從而獲取多個多元鈦合金體系的彈性模量數據，并最終獲得彈性模量最低的鈦合金成分。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種快速篩選低彈性模量生物鈦合金的方法，包括以下步驟：

(1)采用相圖計算的方法確定待研究擴散偶的兩個端際組元成分；

(2)根據步驟(1)中確定的兩個端際組元成分，以純金屬為原料進行熔煉，得到兩個端際組元金屬錠，然后線切割所得金屬錠，得到金屬錠芯部的均勻塊體，清理塊體表面，再密封入真空且存有海綿鈦或海綿釔的容器中，進行退火處理，退火后將塊體取出驟冷，對塊體進行磨拋，得到擴散偶的兩個端際組元；

(3)將步驟(2)中得到的兩個端際組元固定在一起，密封入真空且存有海綿鈦或海綿釔的容器中，進行退火處理，退火后將已經固定在一起的塊體取出驟冷，得到擴散偶；

(4)對步驟(3)中得到的擴散偶進行微觀組織結構分析，從而確定BCC相所在區域，對該區域進行成分梯度分析和彈性模量測試，獲取鈦合金BCC相合金成分-彈性模量的批量實驗數據，最后依據彈性模量最低值確定相應的鈦合金成分。

步驟(1)中所述的相圖計算優選采用商業計算軟件THERMO-CALC或Pandat。