[發(fā)明專利]一種新型3D打印醫(yī)用TiNbZr球形合金粉的制備及3D打印的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110305154.1
• 申請日: 2021-03-23
• 公開（公告）號: CN113145852B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周立波;陳薦;牛焱;任延杰;舒京國;孫金山
• 申請（專利權(quán)）人: 長沙理工大學(xué)
• 主分類號: B22F9/08
• 分類號: B22F9/08;B22F1/065;B22F10/28;C22C14/00;B33Y10/00;B33Y70/00
• 代理公司: 長沙大勝專利代理事務(wù)所(普通合伙) 43248
• 代理人: 陸僖

本發(fā)明涉及一種3D打印新型醫(yī)用鈦合金球形粉末的制備及3D打印方法。所述醫(yī)用鈦合金含有鈦、鈮、鋯3種金屬成分，具體成分按原子百分計(jì)量（包括但不限于）為：Ti?64%，Nb?13%Zr?13%，以及不可避免的微量雜質(zhì)。該材料的制備方法包括熔煉；鍛造；車銑；氣體霧化制粉；氣流分級；激光3D打印等步驟。該材料的制備方式為真空電弧熔煉技術(shù)以及氣體霧化相結(jié)合的形成方法，金屬板條經(jīng)過捆扎，電弧熔煉然后鍛造成棒材；車床加工至制粉設(shè)備要求的尺寸，最后采用高純氬氣作為霧化介質(zhì)進(jìn)行氣體霧化制粉，將得到的粉末采用氣流分級機(jī)按要求的粒度范圍進(jìn)行分級，最終得到適合3D打印的醫(yī)用鈦鈮鋯合金球形粉。本發(fā)明可以制得氧含量低，球形度高，流動性好，衛(wèi)星球少，強(qiáng)度高，彈性模量低的α+β雙相醫(yī)用鈦合金粉末，該合金粉末具有優(yōu)異的生物相容性，綜合力學(xué)性能良好，同時(shí)不含任何有毒元素，推廣應(yīng)用前景良好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到新型金屬3D打印醫(yī)用球形粉的制造方法，尤其涉及高熔點(diǎn)鈦鈮鋯合金的醫(yī)用球形粉的制造方法，屬于稀有金屬粉末冶金工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

生物醫(yī)用材料是以醫(yī)療為目的，用來治療修復(fù)以及替換人體組織或者增加組織功能的一種材料，目前用于制造人體骨骼或者關(guān)節(jié)的材料主要有高分子材料，金屬材料以及復(fù)合材料，金屬材料由于具有很高的強(qiáng)度，良好的韌性以及優(yōu)異的加工性能常用于人工膝關(guān)節(jié)、股關(guān)節(jié)以及一些牙齒種植體義齒支架等，在外科移植手術(shù)上應(yīng)用廣泛。

醫(yī)用金屬材料常用的有醫(yī)用不銹鋼、鈷鉻鉬合金以及TC4鈦合金等，TC4鈦合金相比于前兩種合金材料由于具有高強(qiáng)度，低密度，耐腐蝕性能好以及更好的生物相容性等一系列的優(yōu)點(diǎn)，在生物工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但TC4鈦合金材料含有毒元素Al以及V，同時(shí)該材料彈性模量超過人體骨骼好幾倍，容易引起應(yīng)力遮擋，導(dǎo)致“骨不粘”以及植入體脫落等問題。

相比于TC4鈦合金，TiNbZr合金不含有任何有毒有害元素，Nb的生物相容性非常好，并且為β相穩(wěn)定劑，Zr可以無限固溶在Ti中，改善合金的強(qiáng)度與韌性，該合金彈性模量在65-70GPa，是目前文獻(xiàn)報(bào)道過最低彈性模量之一，比TC4合金(110-114GPa)低了大約一半，強(qiáng)度相比于TC4合金并未有降低，抗拉強(qiáng)度在1050MPa左右。同時(shí)Zr的熔點(diǎn)為1850℃，Nb的熔點(diǎn)高達(dá)2468℃，屬于難熔合金，目前并未有任何資料報(bào)道該類合金的球形粉末的制備方法。

傳統(tǒng)的制備高性能鈦合金制品的方式都為減材制造，該方法對鍛造設(shè)備的要求很高，同時(shí)材料利用率低，產(chǎn)生大量廢棄鈦材，正是由于這些原因?qū)е骡佒破返某杀揪痈卟幌隆２⑶覀鹘y(tǒng)的制備鈦合金制品的方法在生物工程上面的應(yīng)用受到很大局限，基于模具很難制備出與人體貼合度很高的零部件出來。

傳統(tǒng)的鑄造方法成形的鈦合金零部件，晶粒粗大，同時(shí)鈦合金活性大，傳統(tǒng)工藝成形很難控制，容易產(chǎn)生偏析。晶粒粗大以及偏析容易導(dǎo)致材料耐磨性能差，導(dǎo)致綜合力學(xué)性能差，作為人體植入存在很大隱患。

3D打印技術(shù)通過三維掃描成型出人體骨骼的模型，然后通過電腦建模，輸入設(shè)備后直接打印成型，該類方法工藝簡單，能夠節(jié)省大量人力資源，同時(shí)材料利用率非常高，一次成型，經(jīng)過簡單的后處理就可以直接使用，能夠成形各種復(fù)雜的零部件。

同時(shí)3D打印屬于快速加熱快速冷卻成型，能夠抑制晶粒長大，形成的晶粒細(xì)小均勻，具有更高的強(qiáng)度以及更好的韌性，能夠更好的作為植入材料植入人體，消除了該材料在力學(xué)上面存在的安全隱患。

由于該合金具有的高熔點(diǎn)，相比于普通TC4鈦合金熔點(diǎn)高出1000多攝氏度，3D打印成型該材料的零部件并未有任何資料報(bào)道，本發(fā)明提供了一種該合金粉末的球形粉制備方法以及一種3D打印成型方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要針對目前該材料球形粉末制備的研究空白，提出一種該高熔點(diǎn)合金的球形粉末制備方法，同時(shí)將其通過3D打印成所需要的零部件。解決了傳統(tǒng)的減材制造或等材制造難以加工TiNbZr合金的難題，本發(fā)明中所述的激光金屬3D打印能夠解決TiNbZr合金難以加工的難題，將其制成個(gè)性化人體植入假體。其步驟如下：