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)