專利名稱：一種低Nb含量的生物醫用β-鈦合金的制作方法
技術領域：
本發明屬于新材料技術領域，涉及一種具有低彈性模量和高強度、可生物醫用的 低Nb含量的0 -鈦合金材料。
背景技術：
與a-Ti、(a+0)-鈦合金相比，0 _鈦合金具有高的比強度、低的彈性模量、高 塑性、以及優良的耐蝕和耐磨性能。尤其合金中含有Zr、Mo、Nb、Ta和Sn等無毒元素時， 由于合金具有良好的生物相容性，從而使得其在生物醫用材料領域得到了迅速發展。近 年來，美、日、德以及中國先后在多個體系中開發出了新型0 -鈦合金，如Ti-13Nb-13Zr、 Ti-35Nb-5Ta-7Zr、Ti-25Nb-3Mo_5Zr、Ti-25Nb-3Mo-3Zr_2Sn 等。可以看出，這些添加的合 金化組元有二類，一類是強穩定BCC日-Ti固溶體結構的組元，如Mo、Nb、Ta等，這類組元的 添加可以使得合金易于獲得BCC結構；另一類是中性組元，如Zr、Sn等，即不對合金結構起 決定性作用，但是這類組元通常都是低彈性模量的組元，添加后可降低合金的彈性模量。從合金材料性能角度而言，研究表明，Mo是最穩定0 -Ti的組元，Mo的添加能夠更 易于合金形成BCC結構，但是由于Mo組元的彈性模量很高，從而會造成合金的高彈性模量； Nb穩定日-Ti的能力不如Mo，其彈性模量也Ti組元相近，且能夠起到細化晶粒的作用，但 是過量Nb的添加會造成合金強度降低；添加Zr、Sn可降低合金的彈性模量，但由于固溶強 化效果明顯，其過量的添加會急劇降低合金的塑性。在現有鈦合金材料中，Nb的含量 通常為20-30wt. %，過量Nb的添加不會大幅度降低合金的彈性模量，但卻降低材料強度， 同時增加材料成本。因此，最佳的合金化組元添加是在保證合金為單一 BCC日-Ti固溶體 結構和合金具有高強度、良好塑性的基礎上(即保持Mo、Nb等組元含量的下限)，盡可能添 加低彈性模量組元(如&、Sn)以獲得低彈性模量合金，以此降低0 -Ti固溶體合金中合金 化組元的含量，從而降低材料成本。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術存在的在保證合金具有單一日-Ti結構且性能良 好的前提下，合金化組元Nb含量相對較高的不足，提供一種具有低彈性模量、高強度、塑性 較好、成本相對較低、不含毒性組元、低Nb含量的生物醫用3 -鈦合金材料。本發明采用的技術方案是一種低Nb含量的生物醫用鈦合金，其特征在于 它包括Ti、Mo、Nb、Zr和Sn元素，其合金成分的重量百分比為Ti_(4_10% )Mo-(9-19% ) Nb-(10-19% )Zr-(l-7% )Sn。實現上述技術方案的構思是利用我們的“團簇+連接原子”結構模型來設計 Ti-Mo-Nb-Zr-Sn合金成分。“團簇+連接原子”結構模型可將固溶體結構看作由團簇和連 接原子兩部分構成，并能給出成分式[團簇](連接原子)x。在BCC日-Ti合金中，團簇取 以溶質原子為心，14個Ti原子占據第一殼層形成的CN14多面體團簇，同時溶質原子也為連 接原子。溶質占據團簇心部還是作為連接原子取決于溶質原子與Ti之間的交互作用，體現在混合焓大小，與Ti具有大的負混合焓溶質原子占據團簇心部，與Ti混合焓相對較小的作 為連接原子。因此，在Ti-Mo-Nb-Zr-Sn體系中，由于Mo、Sn與Ti具有大的負混合焓，定義 Mo、Sn占據團簇心部；Nb與Ti混合焓為正，定義Nb作為連接原子；&與Ti為同族組元，可 替代團簇殼層上的Ti。由此給定的團簇成分式為[(M^SnMTLaOjNbn，根據此成分式 設計合金成分，然后轉化成重量百分比。設計的原則是主要利用Mo在保證合金為單一 BCC 3 -Ti固溶體，且保證合金具有良好的塑性基礎上，增加&和Sn和降低Nb的含量來獲得具 有低彈性模量和高強度的合金。本發明的成分合金采用高純度組元元素按重量百分比合金成分進行配比；然后利 用非自耗電弧熔煉爐在Ar氣保護下對配比的混合物進行多次熔煉，以得到成分均勻的合 金錠，然后利用銅模吸鑄快冷工藝將合金錠制備成直徑為6mm的合金棒，作為拉伸試驗用 樣品；利用XRD(Cu Ka輻射，人=0. 15406nm)檢測合金結構；最后利用MTS萬能拉伸試驗 機測試BCC日-Ti合金樣品的拉伸力學性能。由此確定出本發明中具有低彈性模量、高強 度、塑性較好的低Nb含量的鈦合金成分，為Ti-(4-10% )Mo-(9-19% )Nb-(10-19% ) Zr-(l-7% )Sn (重量百分比)，其力學性能參數范圍分別為彈性模量E = 58_70GPa，屈服 強度o Q 2 = 540-760MPa，抗拉強度o b = 630_780MPa，伸長率e = 6-14%，斷面收縮率W =36-48%。本發明的效果和益處是①在保證0 -Ti合金具有較好塑性的同時，降低Nb的含 量，可相對降低材料成本；②增加低彈性模量組元&和Sn的含量，降低了合金的彈性模量， 同時提高了合金的強度；③Ti-Mo-Nb-Zr-Sn合金組元都為無毒元素，是理想的生物醫用材 料。
具體實施例方式以下結合技術方案詳細敘述本發明的具體實施方式
。實施例1 Ti^Zr^MouSr^Nb^ 合金步驟一合金制備Ti^a^^Mo^Sr^Nb^ 合金，此成分源自團簇式[(Mo0.5Sn0.5) (Ti13Zr) ]Nb10 Ti、 Zr、Mo、Sn和Nb純金屬按照給定的合金重量百分比成分進行配料；將混合料放在電弧熔煉 爐的水冷銅坩堝內，采用非自耗電弧熔煉法在氬氣的保護下進行熔煉，如此反復熔煉3次， 得到成分均勻的合金錠；然后將熔煉均勻的合金錠最后熔化，并利用銅模吸鑄工藝將熔體 吸入圓柱形銅模型腔中，得到直徑為6mm的棒材。步驟二 合金結構和性能測試利用XRD檢測合金結構，確定為單一 BCC 0 -Ti固溶體結構；利用MTS萬能拉伸試 驗機測試其力學性能參數，分別為:E = 58GPa, o 0 2 = 657MPa, o b = 759MPa, e = 7.7%, 屯=36%。實施例2 Ti60. iZr^.。Mo5.。Sn6.2Nb9.7 合金步驟一合金制備Tiia^^Mo^Sr^Nbu 合金，此成分源自團簇式[(Mo0.5Sn0.5) (Ti12Zr2) ]Nb10 同實 施例一中的步驟一。步驟二 合金結構和性能測試
利用XRD檢測合金結構，確定為單一 BCC 0 -Ti固溶體結構；利用MTS萬能拉伸試 驗機測試其力學性能參數，分別為:E = 61GPa, o 0 2 = 759MPa, o b = 779MPa, e = 6.2%, 卑=41. 2%。實施例3 Ti68.9Zr10.0Mo9.6SnL3Nb10.2 合金步驟一合金制備Ti68.9&1(1.QM09.6Sni.3Nbia2 合金，此成分源自團簇式[狐一！^) (Ti^Z^) ]Nb10 同實 施例一中的步驟一。步驟二 合金結構和性能測試利用XRD檢測合金結構，確定為單一 BCC ^ -Ti固溶體結構；利用MTS萬能拉伸試 驗機測試其力學性能參數，分別為:E = 70GPa, o 0 2 = 720MPa, o b = 783MPa, e = 12. 5%, 卑=47. 2%。實施例4 Tieo^Zr^^Mo^Sn^Nb!^ 合金步驟一合金制備Ti6Q.8&iaiM04.8Sn5.9Nb18.4 合金，此成分源自團簇式[(Mo0.5Sn0.5) (Ti^Z^) ]Nb20 同實 施例一中的步驟一。步驟二 合金結構和性能測試利用XRD檢測合金結構，確定為單一 BCC ^ -Ti固溶體結構；利用MTS萬能拉伸試 驗機測試其力學性能參數，分別為E = 62GPa，oa2 = 540MPa, o b = 635MPa, e = 10. 1%, 卑=42. 1%。實施例5 Ti54.8Zr17.3Mo4.6Sn5.7Nb17.6 合金步驟一合金制備Ti54.8&17.3Mo4.6Sn5.7Nb17.6 合金，此成分源自團簇式[(Mo0.5Sn0.5) (Ti12Zr2) ]Nb20 同實 施例一中的步驟一。步驟二 合金結構和性能測試利用XRD檢測合金結構，確定為單一 BCC ^ -Ti固溶體結構；利用MTS萬能拉伸試 驗機測試其力學性能參數，分別為:E = 60GPa, o 0 2 = 655MPa，o b = 697MPa, e = 8. 3%, 卑=39. 6%。實施例6 Ti61.0Zr13.9Mo4.9Sn6.。Nb14.2 合金步驟一合金制備Ti61.Q&13.9M04.9Sn6.QNb14.2 合金，此成分源自團簇式[(Mo0.5Sn0.5) (Ti12.5ZrL5) ]NbL5。 同實施例一中的步驟一。步驟二 合金結構和性能測試利用XRD檢測合金結構，確定為單一 BCC ^ -Ti固溶體結構；利用MTS萬能拉伸試 驗機測試其力學性能參數，分別為:E = 59GPa，o 0 2 = 693MPa, o b = 737MPa, e = 13.8%, 卑=44. 0%。
權利要求
一種低Nb含量的生物醫用β 鈦合金，其特征在于它包括Ti、Mo、Nb、Zr和Sn元素，其合金成分的重量百分比為Ti (4 10％)Mo (9 19％)Nb (10 19％)Zr (1 7％)Sn。
全文摘要
一種低Nb含量的生物醫用β-鈦合金，屬于新材料技術領域。其特征在于它包括Ti、Mo、Nb、Zr和Sn元素，其合金成分的重量百分比為Ti-(4-10％)Mo-(9-19％)Nb-(10-19％)Zr-(1-7％)Sn。材料性能指標分別為彈性模量E＝58-70GPa，屈服強度σ0.2＝540-760MPa，抗拉強度σb＝630-780MPa，伸長率ε＝6-14％，斷面收縮率Ψ＝36-48％。本發明的效果和益處是發展了低Nb含量的β-Ti合金，可降低材料成本；在保證合金具有較好塑性的同時，增加低彈性模量組元Zr和Sn的含量，降低了合金的彈性模量，同時提高了合金的強度；Ti-Mo-Nb-Zr-Sn合金組元都為無毒元素，是理想的生物醫用材料。
文檔編號A61L27/06GK101892403SQ201010217090
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月30日 優先權日2010年6月30日
發明者王清, 王英敏, 羌建兵, 董闖, 馬仁濤 申請人:大連理工大學