專利名稱:Ti-Mo-Sn-Al系鈦合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種材料技術(shù)領(lǐng)域的鈦合金及其制備方法,具體地說是一種 Ti-Mo-Sn-Al系鈦合金及其制備方法。
技術(shù)背景目前臨床上廣泛應(yīng)用的外科植入體金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金和鈦合 金等,其中鈦合金具有高比強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性以及生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)。鈦 合金與不銹鋼和鈷基合金相比彈性模量較低,一定程度上降低了植入體與生物骨 骼彈性模量之間巨大差異所造成的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)。因此,臨床醫(yī)學(xué)上作為人體硬 組織修復(fù)替代植入材料主要為鈦合金。目前常用的鈦合金植入體材料為oc+P雙相 組織的Ti-6A1-4V合金,但研究表明這種合金在長期植入生物體后由于腐蝕和磨 損會釋放出對生物體有害的V等元素,同時(shí)合金的彈性模量相對于生物骨骼彈性 模量還是偏大,長期使用仍會造成應(yīng)力屏蔽效應(yīng)。TiNi形狀記憶合金具有優(yōu)異 的形狀記憶效應(yīng)和超彈性特性,利用其形狀記憶效應(yīng)和超彈性特性的醫(yī)療器件在 臨床醫(yī)學(xué)上應(yīng)用廣泛,但合金中Ni元素對生物體同樣存在生物毒性而引起醫(yī)學(xué) 界的關(guān)注。因此,從九十年代開始各國科學(xué)家致力以研發(fā)含無毒性元素的低彈性 模量和具有形狀記憶效應(yīng)的(3型鈦合金,并主要集中在了 Ti-Nb, Ti-Ta和Ti-Mo等鈦合金體系。國際和國內(nèi)已有多個(gè)有關(guān)低彈性模量和具有形狀記憶效應(yīng)、超彈 性特性的生物用(5型鈦合金的專利申請,主要是成本相對高的Ti-Nb-Zr和 Ti-Nb-Ta系鈦合金系列。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn),Maeshima等在"Materials Science and Engineering (材料科學(xué)與工程)",2006; A438-440:844上發(fā)表了 "Effect of heat treatment on shape memory effect and superelasticity in Ti-Mo-Sn alloys (熱處理對Ti-Mo-Sn鈦合金體系形狀記憶效應(yīng)和超彈性的影響)",該 文中提出應(yīng)用真空電弧爐熔煉制備并經(jīng)過后續(xù)熱處理的Ti-Mo-Sn系合金具有優(yōu) 良的形狀記憶效應(yīng),用于替代目前Ti-Ni形狀記憶合金,但其不足在于未能研究該合金體系彈性模量問題??傊?,現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)對于Ti-Mo系合金的研究主要是 合金的形狀記憶效應(yīng),而較少涉及到合金的彈性模量,并且Ti-Mo系合金相對其 它體系的鈦合金彈性模量偏高,不利于該體系合金作為生物植入體以及其它醫(yī)療 器件應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種Ti-Mo-Sn-Al系鈦合金及 其制備方法。本發(fā)明合金是一種成本相對低、無生物毒性、低模量、高強(qiáng)度、超 彈性、耐腐蝕、生物相容性好和易加工成型的鈦合金,該體系鈦合金可廣泛應(yīng)用 于生物植入體以及其它醫(yī)療器件。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明所涉及的Ti-Mo-Sn-Al系鈦合金,其組分及重量百分含量為 10-18%Mo, 0. 5-5%Sn, 0-2%A1,余量為Ti。所述Mo和Sn總重量百分含量在10. 5-23%。 所述Sn和Al總重量百分含量在0. 5-7%。本發(fā)明選擇合金體系成分所對應(yīng)的合金電子濃度控制在4. 10-4.25e/a范 圍,從晶體的彈性穩(wěn)定性分析,該合金成分處于P相向oc六方結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)P 相區(qū),其彈性模量為最低;合金元素的選擇應(yīng)使(3相有足夠的穩(wěn)定性,在合金的 加工和使用過程中避免合金有過多的高彈性模量的03以及a〃等亞穩(wěn)相析出,使合 金彈性模量升高;采用鉬、錫和鋁等相對低成本、無生物毒性金屬元素。 本發(fā)明所涉及的Ti-Mo-Sn-Al系鈦合金的制備方法,包括以下步驟 第一步,采用真空自耗電弧爐熔煉方法獲得成分均勻的Ti-Mo-Sn-Al系合金; 第二步,熔煉獲得的Ti-Mo-Sn-Al系合金鑄錠在750-950T溫度范圍需進(jìn)行 熱軋、熱拔以及熱鐓在內(nèi)的熱加工處理,變形量為60-90%;并可以在室溫下對 合金進(jìn)行包括冷軋、冷拔和冷鐓等冷加工處理,變形量為50-80%,以獲得各種 不同規(guī)格的合金棒材和板材;第三步,經(jīng)上述處理的Ti-Mo-Sn-Al系合金需在800-1000°C溫度范圍經(jīng)過 0. 5-2小時(shí)固溶淬火處理,以獲得單相(5組織;合金還可以在300-55CTC溫度范圍 經(jīng)過l-4小時(shí)的時(shí)效熱處理,進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下特點(diǎn)1)本發(fā)明合金加工性能好,特別是加工硬化率低,冷加工性能好;2)合金強(qiáng)度高并可在較大范圍內(nèi)調(diào)整,合金同 時(shí)具有低彈性模量和超彈性等特性,合金彈性模量比Ti-6A1-4V合金低40-50%, 合金的最大彈性應(yīng)變量為3. 6%; 3)不含生物有毒性元素,合金的生物相容性優(yōu) 良;4)與性能相當(dāng)?shù)腡i-Nb-Ta-Zr合金體系比較,本發(fā)明合金所含合金元素較 少,成本相對較低。由于本發(fā)明合金具有低彈性模量和超彈性等特性,可以廣泛 應(yīng)用于生物植入體以及其它醫(yī)療器件,包括人工骨、關(guān)節(jié)假體、骨科內(nèi)固定器械、 口腔種植體等,以替代常規(guī)的或含有生物毒性元素的外科植入體金屬材料和醫(yī)療 器件。
圖1為本發(fā)明合金體系電子濃度與彈性模量關(guān)系示意圖;圖2為本發(fā)明固溶態(tài)Ti-12Mo-2Sn-lAl合金的X射線衍射圖譜;圖3為本發(fā)明Ti-12Mo-2Sn-lAl合金的納米壓痕載荷-位移(P-h)曲線圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施,給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程,但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1以海綿鈦、鉬塊和錫塊為原料配制合金,各組分的設(shè)計(jì)質(zhì)量分別為鈦(Ti)87千克,鉬(Mo) IO千克,錫(Sn) 3千克。將原料壓制成電極后采用真空自耗 電弧爐熔煉。合金鑄錠在75(TC的溫度下進(jìn)行變形量為60%的熱軋成型,并經(jīng)過 變形量為50%的冷軋成板材,800°C下固溶處理0. 5小時(shí)后進(jìn)行淬火處理。上述 加工工藝按現(xiàn)有技術(shù)方法進(jìn)行即可。經(jīng)測試,該合金的拉伸強(qiáng)度為900MPa,彈 性模量為48GPa,彈性應(yīng)變量為3. 5%。 實(shí)施例2以海綿鈦、鉬塊、錫塊和鋁塊為原料配制合金,各組分的設(shè)計(jì)質(zhì)量分別為 鈦(Ti) 85千克,鉬(Mo) 12千克,錫(Sn)2千克,鋁(A1) 1千克。將原料壓制 成電極后采用真空自耗電弧爐熔煉。合金鑄錠在85(TC的溫度下進(jìn)行變形量為 90%熱軋成型,并經(jīng)過變形量為80%冷軋成板材,900°C下固溶處理1小時(shí)后進(jìn)行 淬火處理。上述加工工藝按現(xiàn)有技術(shù)方法進(jìn)行即可。該合金的電子濃度為4. 11,處于圖1所示相轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)附近的P相區(qū),具有低的彈性模量;圖2為該合金的 X射線衍射圖譜,說明合金為單一 0組織。經(jīng)測試,該合金的拉伸強(qiáng)度為920MPa, 彈性模量為51GPa,彈性應(yīng)變量為3. 6%。 實(shí)施例3以海綿鈦、鉬塊、錫塊和鋁塊為原料配制合金,各組分的設(shè)計(jì)質(zhì)量分別為 鈦(Ti) 85千克,鉬(Mo) 12千克,錫(Sn)2千克,鋁(A1) 1千克。將原料壓制 成電極后采用真空自耗電弧爐熔煉。合金鑄錠在850T的溫度下進(jìn)行變形量為 80%熱拔成型,并經(jīng)過變形量為80%冷拔軋成線材,900°C下固溶處理1小時(shí)后進(jìn) 行淬火處理,并在380T時(shí)效處理2小時(shí)。上述加工工藝按現(xiàn)有技術(shù)方法進(jìn)行即 可。圖3為經(jīng)和未經(jīng)時(shí)效處理合金的納米壓痕載荷-位移(P-h)曲線,說明經(jīng)時(shí) 效處理的合金與固溶處理的合金相比,彈性模量提高,彈性回復(fù)率則降低。經(jīng)測 試,該合金的拉伸強(qiáng)度為1050MPa,彈性模量為62GPa,彈性應(yīng)變量為2. 1%。實(shí)施例4以海綿鈦、鉬塊、錫塊和鋁塊為原料配制合金,各組分的設(shè)計(jì)質(zhì)量分別為 鈦(Ti) 83.5千克,鉬(Mo) 14千克,錫(Sn)0.5千克,鋁(A1) 2千克。將原料 壓制成電極后采用真空自耗電弧爐熔煉。合金鑄錠在90(TC的溫度下進(jìn)行變形量 為70%熱軋成型,IOO(TC下固溶處理1小時(shí)后進(jìn)行淬火處理。上述加工工藝按現(xiàn) 有技術(shù)方法進(jìn)行即可。經(jīng)測試,該合金的拉伸強(qiáng)度為lOOOMPa,彈性模量為60GPa, 彈性應(yīng)變量為1.8%。實(shí)施例5以海綿鈦、鉬塊和鋁塊為原料配制合金,各組分的設(shè)計(jì)質(zhì)量分別為鈦(Ti) 76.5千克,鉬(Mo) 18千克,錫(Sn)5千克,鋁(A1) 0. 5千克。將原料壓制成電 極后采用真空自耗電弧爐熔煉。合金鑄錠在IOO(TC的溫度下進(jìn)行變形量為70% 熱軋成型,95(TC下固溶處理2小時(shí)后進(jìn)行淬火處理。上述加工工藝按現(xiàn)有技術(shù) 方法進(jìn)行即可。經(jīng)測試,該合金的拉伸強(qiáng)度為1020MPa,彈性模量為68GPa,彈 性應(yīng)變量為0. 9%。
權(quán)利要求
1.一種Ti-Mo-Sn-Al系鈦合金,其特征在于各組分及重量百分含量為Mo10-18%,Sn0.5-5%,Al0-2%,余量為Ti。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種材料技術(shù)領(lǐng)域的Ti-Mo-Sn-Al系鈦合金及其制備方法,Ti-Mo-Sn-Al系鈦合金組分及重量百分比含量為10-18%Mo,0.5-5%Sn,0-2%Al,余量為Ti。方法為采用真空自耗電弧爐熔煉方法獲得成分均勻的Ti-Mo-Sn-Al系合金;在750-950℃溫度范圍對合金進(jìn)行熱加工處理,然后在室溫下對合金進(jìn)行冷加工處理;再在800-1000℃溫度范圍經(jīng)過固溶淬火處理。本發(fā)明合金具有相對低的成本;不含有毒元素,生物相容性優(yōu)良;合金彈性模量比Ti-6Al-4V合金低40-50%,強(qiáng)度高并可在較大范圍內(nèi)調(diào)整;合金的最大彈性應(yīng)變量為3.6%;冷熱加工成型性好。
文檔編號C22C14/00GK101225489SQ20081003222
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月3日
發(fā)明者輝 刑, 強(qiáng) 姚, 堅(jiān) 孫, 郭文淵 申請人:上海交通大學(xué)