一种低Nb含量的生物医用β-钛合金

摘要

一种低Nb含量的生物医用β-钛合金，属于新材料技术领域。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为Ti-(4-10％)Mo-(9-19％)Nb-(10-19％)Zr-(1-7％)Sn。材料性能指标分别为：弹性模量E＝58-70GPa，屈服强度σ0.2＝540-760MPa，抗拉强度σb＝630-780MPa，伸长率ε＝6-14％，断面收缩率Ψ＝36-48％。本发明的效果和益处是发展了低Nb含量的β-Ti合金，可降低材料成本；在保证合金具有较好塑性的同时，增加低弹性模量组元Zr和Sn的含量，降低了合金的弹性模量，同时提高了合金的强度；Ti-Mo-Nb-Zr-Sn合金组元都为无毒元素，是理想的生物医用材料。

权利要求

1.一种低Nb含量的生物医用β-钛合金，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为Ti-(4-10％)Mo-(9-19％)Nb-(10-19％)Zr-(1-7％)Sn。

说明书

一种低Nb含量的生物医用β-钛合金

技术领域

[0001] 本发明属于新材料技术领域，涉及一种具有低弹性模量和高强度、可生物医用的低Nb含量的β-钛合金材料。

背景技术

[0002] 与α-Ti、(α+β)-钛合金相比，β-钛合金具有高的比强度、低的弹性模量、高塑性、以及优良的耐蚀和耐磨性能。尤其合金中含有Zr、Mo、Nb、Ta和Sn等无毒元素时，由于合金具有良好的生物相容性，从而使得其在生物医用材料领域得到了迅速发展。近年来，美、日、德以及中国先后在多个体系中开发出了新型β-钛合金，如Ti-13Nb-13Zr、Ti-35Nb-5Ta-7Zr、Ti-25Nb-3Mo-5Zr、Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn等。可以看出，这些添加的合金化组元有二类，一类是强稳定BCC β-Ti固溶体结构的组元，如Mo、Nb、Ta等，这类组元的添加可以使得合金易于获得BCC结构；另一类是中性组元，如Zr、Sn等，即不对合金结构起决定性作用，但是这类组元通常都是低弹性模量的组元，添加后可降低合金的弹性模量。

[0003] 从合金材料性能角度而言，研究表明，Mo是最稳定β-Ti的组元，Mo的添加能够更易于合金形成BCC结构，但是由于Mo组元的弹性模量很高，从而会造成合金的高弹性模量；Nb稳定β-Ti的能力不如Mo，其弹性模量也Ti组元相近，且能够起到细化晶粒的作用，但是过量Nb的添加会造成合金强度降低；添加Zr、Sn可降低合金的弹性模量，但由于固溶强化效果明显，其过量的添加会急剧降低合金的塑性。在现有β-钛合金材料中，Nb的含量通常为20-30wt.％，过量Nb的添加不会大幅度降低合金的弹性模量，但却降低材料强度，同时增加材料成本。因此，最佳的合金化组元添加是在保证合金为单一BCC β-Ti固溶体结构和合金具有高强度、良好塑性的基础上(即保持Mo、Nb等组元含量的下限)，尽可能添加低弹性模量组元(如Zr、Sn)以获得低弹性模量合金，以此降低β-Ti固溶体合金中合金化组元的含量，从而降低材料成本。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对现有技术存在的在保证合金具有单一β-Ti结构且性能良好的前提下，合金化组元Nb含量相对较高的不足，提供一种具有低弹性模量、高强度、塑性较好、成本相对较低、不含毒性组元、低Nb含量的生物医用β-钛合金材料。

[0005] 本发明采用的技术方案是：一种低Nb含量的生物医用β-钛合金，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为Ti-(4-10％)Mo-(9-19％)Nb-(10-19％)Zr-(1-7％)Sn。

[0006] 实现上述技术方案的构思是：利用我们的“团簇+连接原子”结构模型来设计Ti-Mo-Nb-Zr-Sn合金成分。“团簇+连接原子”结构模型可将固溶体结构看作由团簇和连接原子两部分构成，并能给出成分式[团簇](连接原子)x。在BCC β-Ti合金中，团簇取以溶质原子为心，14个Ti原子占据第一壳层形成的CN14多面体团簇，同时溶质原子也为连接原子。溶质占据团簇心部还是作为连接原子取决于溶质原子与Ti之间的交互作用，体现在混合焓大小，与Ti具有大的负混合焓溶质原子占据团簇心部，与Ti混合焓相对较小的作为连接原子。因此，在Ti-Mo-Nb-Zr-Sn体系中，由于Mo、Sn与Ti具有大的负混合焓，定义Mo、Sn占据团簇心部；Nb与Ti混合焓为正，定义Nb作为连接原子；Zr与Ti为同族组元，可替代团簇壳层上的Ti。由此给定的团簇成分式为[(Mo，Sn)(Ti，Zr)14]Nb1-2，根据此成分式设计合金成分，然后转化成重量百分比。设计的原则是主要利用Mo在保证合金为单一BCC β-Ti固溶体，且保证合金具有良好的塑性基础上，增加Zr和Sn和降低Nb的含量来获得具有低弹性模量和高强度的合金。

[0007] 本发明的成分合金采用高纯度组元元素按重量百分比合金成分进行配比；然后利用非自耗电弧熔炼炉在Ar气保护下对配比的混合物进行多次熔炼，以得到成分均匀的合金锭，然后利用铜模吸铸快冷工艺将合金锭制备成直径为6mm的合金棒，作为拉伸试验用样品；利用XRD(Cu Kα辐射，λ＝0.15406nm)检测合金结构；最后利用MTS万能拉伸试验机测试BCC β-Ti合金样品的拉伸力学性能。由此确定出本发明中具有低弹性模量、高强度、塑性较好的低Nb含量的β-钛合金成分，为Ti-(4-10％)Mo-(9-19％)Nb-(10-19％)Zr-(1-7％)Sn(重量百分比)，其力学性能参数范围分别为：弹性模量E＝58-70GPa，屈服强度σ0.2＝540-760MPa，抗拉强度σb＝630-780MPa，伸长率ε＝6-14％，断面收缩率Ψ＝36-48％。

[0008] 本发明的效果和益处是：①在保证β-Ti合金具有较好塑性的同时，降低Nb的含量，可相对降低材料成本；②增加低弹性模量组元Zr和Sn的含量，降低了合金的弹性模量，同时提高了合金的强度；③Ti-Mo-Nb-Zr-Sn合金组元都为无毒元素，是理想的生物医用材料。

具体实施方式

[0009] 以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。

[0010] 实施例1 Ti68.1Zr10.0Mo5.2Sn6.5Nb10.2合金

[0011] 步骤一：合金制备

[0012] Ti68.1Zr10.0Mo5.2Sn6.5Nb10.2合金，此成分源自团簇式[(Mo0.5Sn0.5)(Ti13Zr)]Nb1。Ti、Zr、Mo、Sn和Nb纯金属按照给定的合金重量百分比成分进行配料；将混合料放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气的保护下进行熔炼，如此反复熔炼3次，得到成分均匀的合金锭；然后将熔炼均匀的合金锭最后熔化，并利用铜模吸铸工艺将熔体吸入圆柱形铜模型腔中，得到直径为6mm的棒材。

[0013] 步骤二：合金结构和性能测试

[0014] 利用XRD检测合金结构，确定为单一BCC β-Ti固溶体结构；利用MTS万能拉伸试验机测试其力学性能参数，分别为：E＝58GPa，σ0.2＝657MPa，σb＝759MPa，ε＝7.7％，Ψ＝36％。

[0015] 实施例2 Ti60.1Zr19.0Mo5.0Sn6.2Nb9.7合金

[0016] 步骤一：合金制备

[0017] Ti60.1Zr19.0Mo5.0Sn6.2Nb9.7合金，此成分源自团簇式[(Mo0.5Sn0.5)(Ti12Zr2)]Nb1。同实施例一中的步骤一。

[0018] 步骤二：合金结构和性能测试