CN101081312A

CN101081312A - 生物医用β－钛合金材料

Info

Publication number: CN101081312A
Application number: CN 200710035286
Authority: CN
Inventors: 易丹青; 杨伏良; 肖来荣; 王斌; 刘会群; 邹利民; 彭飞厚; 胡建中
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2007-12-05

Abstract

本发明公开了一种生物医用β－钛合金材料，其特征是：其合金成分范围以质量百分比计为：Ti－Nb(25％～30％)－Zr(1％～5％)－Fe(0.2％～1％)－Mo(10％～15％)。本发明提出的生物医用β－钛合金材料，是在传统的生物医用材料的基础上，添加适量生物相容性好的低毒或无毒性元素及β稳定元素，从而提高材料综合性能，满足生物医用使用要求。材料性能指标分别如下：弹性模量(GPa)：45－66；断裂强度：650－960；屈服强度(MPa)：510－680；伸长率(％)：16－20；断面收缩率(％)：35－50。本发明是一种能提高材料强度、耐磨性和抗蚀性，降低材料弹性模量，保持材料良好加工成形性能的生物医用β－钛合金材料，使钛合金材料具有优良的综合使用性能。其生产工艺简单可靠。

Description

生物医用β-钛合金材料

属技术领域

本发明涉及一种钛合金材料，尤其涉及一种生物医用β-钛合金材料。

背景技术

生物医用材料是材料科学的一个重要分支，是用于诊断、治疗或替代人体组织、器官或增进其功能、具有高技术含量和高经济价值的新型载体材料，是材料科学技术中一个正在发展的新领域。生物医用材料对于探索人类生命奥秘、保障人类健康长寿做出更大贡献。近10多年以来，生物医用材料及制品的市场增长率一直保持在20％-25％左右，预计未来10年-15年内，包括生物医用材料在内的医疗器械产业将达到医药制品市场规模，成为21世纪世界经济的支柱产业。在生物医用金属材料中，钛及其合金凭借优良的综合性能，成为人工关节(髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等)、骨创伤产品(髓内钉、钢板、螺钉等)、脊柱矫形内固定***、牙种植体、牙托、牙矫形丝、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用内植物产品的首选材料。目前，还没有比钛合金更好的金属材料用于临床。但在医用钛合金的开发上，一方面要研发低弹性模量，高耐磨性能、抗腐蚀性能及高断裂韧性，低裂纹扩展速率、高损伤容限，并具有优良生物相容性的生物医用钛合金材料；另一方面合金的组成元素应以注重无毒元素的添加为前提；另外，应努力提高我国生物医用钛及其合金加工材的质量水平，走材料研究院所或高等院校、材料生产厂及医疗研究机构、临床医学专家联合开发道路，集材料研制、生物相容性试验、临床医学验证于一体，加速开发有广阔应用前景的新型生物医用钛合金材料。

发明内容

本发明所要解决的技术方案是提供一种能提高材料强度、耐磨性和抗蚀性，降低材料弹性模量，保持材料良好加工成形性能的生物医用β-钛合金材料，使钛合金材料具有优良的综合使用性能。

本发明提出了一种生物医用β-钛合金材料，其合金成分范围以质量百分比计为：Ti-Nb(25％～30％)-Zr(1％～5％)-Fe(0.2％～1％)-Mo(10％～15％)。

其制备工艺流程为：配料、高真空电弧熔炼加多次搅拌、浇铸、测相变点、真空加氩气保护均匀化、冷轧、固溶、水淬、人工时效、水冷、性能测试(拉伸、显微组织观察、X射线物相结构分析)。β-钛合金具有与人骨近似的弹性模量、优异的生物相容性及在生物环境下优良的耐蚀性等，近年来在临床上得到了越来越广泛的应用，促进了钛合金的研究与发展。在合金成分的元素选择时，考虑到医用材料必需具备生物化学相容性和生物力学相容性。生物化学相容性是指材料必须没有细胞毒性、组织刺激性、遗传毒性、致癌性，不会导致免疫反应、过敏反应等；力学相容性是指材料的力学特性接近修复部的特性，即使长期使用其功能也不发生变化。除此之外，在元素选择时还应注意选用β稳定元素。本发明中，Ti、Nb、Zr、Fe是无毒元素或低细胞毒性元素，生物相容性好，均可在不同程度上改变合金的力学性能与耐磨性能 Nb、Mo是β同晶元素，能与β钛无限互溶 Fe是β慢共析元素，在β钛中的溶解度大于在α钛中的溶解度，在一般冷却速度下能够将β相保存到室温，并对合金产生固溶强化作用。

本发明提出的生物医用β-钛合金材料，是在传统的生物医用材料的基础上，添加适量生物相容性好的低毒或无毒性元素及β稳定元素，从而提高材料综合性能，满足生物医用使用要求。

本发明的β钛合金采用高真空电弧熔炼加多次搅拌、浇铸、测相变点、真空加氩气保护均匀化、冷轧、固溶、水淬、人工时效、水冷后，将材料加工成2mm厚的板材，制备出具有优良综合性能的β钛合金生物医用材料。

材料性能指标分别如下：

弹性模量(GPa)：45-66；断裂强度：650-960；屈服强度(MPa)：510-680；伸长率(％)：16-20；断面收缩率(％)：35-50。

综上所述，本发明是一种能提高材料强度、耐磨性和抗蚀性，降低材料弹性模量，保持材料良好加工成形性能的生物医用β-钛合金材料，使钛合金材料具有优良的综合使用性能。其生产工艺简单可靠。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

A)合金制备

Ti-25Nb-5 Zr-0.2Fe-15Mo合金，Ti、Nb、Zr、Fe、Mo纯金属按合金成分质量百分比配料，在高真空电弧加热炉中熔炼，充分搅拌，浇铸成100×60×20mm锭坯，充分冷却后取样经DTA分析合金固液相温度，在真空炉内进行均匀化退火(加Ar气保护)，均匀化温度为1000℃，时间为10h。

B)冷轧成形

锭坯均匀化退火后，表面经机加工成厚度为19mm板，然后进行多道次冷轧，轧至最终厚度为2mm，总变形量为89％。

C)热处理

冷轧后样品在箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶温度为800℃，固溶时间为2小时，固溶后进行水淬，人工时效温度为350℃，时效时间为10小时，时效后用水冷却。

D)材料性能

弹性模量(GPa)：45；断裂强度(MPa)：700；屈服强度(MPa)：550；伸长率(％)：18；断面收缩率(％)：36。

实施例2：

A)合金制备

Ti-28Nb-3 Zr-0.6Fe-12Mo合金，Ti、Nb、Zr、Fe、Mo纯金属按合金成分质量百分比配料，在高真空电弧加热炉中熔炼，充分搅拌，浇铸成100×60×20mm锭坯，充分冷却后取样经DTA分析合金固液相温度，在真空炉内进行均匀化退火(加Ar气保护)，均匀化温度为1000℃，时间为10h。

B)冷轧成形

C)热处理

D)材料性能

弹性模量(GPa)：55；断裂强度(MPa)：800；屈服强度(MPa)：720；伸长率(％)：19；断面收缩率(％)：43。

实施例3：

A)合金制备

Ti-30Nb-1Zr-1Fe-10Mo合金，Ti、Nb、Zr、Fe、Mo纯金属按合金成分质量百分比配料，在高真空电弧加热炉中熔炼，充分搅拌，浇铸成100×60×2 0mm锭坯，充分冷却后取样经DTA分析合金固液相温度，在真空炉内进行均匀化退火(加Ar气保护)，均匀化温度为1000℃，时间为10h。

B)冷轧成形

C)热处理

D)材料性能

弹性模量(GPa)：60；断裂强度(MPa)：910；屈服强度(MPa)：650；伸长率(％)：17；断面收缩率(％)：36。

实施例4：

A)合金制备

Ti-30Nb-5Zr-1Fe-15Mo合金，Ti、Nb、Zr、Fe、Mo纯金属按合金成分质量百分比配料，在高真空电弧加热炉中熔炼，充分搅拌，浇铸成100×60×20mm锭坯，充分冷却后取样经DTA分析合金固液相温度，在真空炉内进行均匀化退火(加Ar气保护)，均匀化温度为1000℃，时间为10h。

B)冷轧成形

C)热处理

D)材料性能

弹性模量(GPa)：66；断裂强度(MPa)：960；屈服强度(MPa)：680；伸长率(％)：16；断面收缩率(％)：35。

实施例5：

A)合金制备

Ti-25Nb-1 Zr-0.2Fe-10Mo合金，Ti、Nb、Zr、Fe、Mo纯金属按合金成分质量百分比配料，在高真空电弧加热炉中熔炼，充分搅拌，浇铸成100×60×20mm锭坯，充分冷却后取样经DTA分析合金固液相温度，在真空炉内进行均匀化退火(加Ar气保护)，均匀化温度为1000℃，时间为10h。

B)冷轧成形

C)热处理

D)材料性能

弹性模量(GPa)：45；断裂强度(MPa)：650；屈服强度(MPa)：510；伸长率(％)：20；断面收缩率(％)：50。

Claims

一种生物医用β-钛合金材料，其特征是：其合金成分范围以质量百分比计为：Ti-Nb(25％～30％)-Zr(1％～5％)-Fe(0.2％～1％)-Mo(10％～15％)。