一種超彈性低彈性模量鈦合金材料及其製備方法和應用

2023-08-08 16:11:41 3

一種超彈性低彈性模量鈦合金材料及其製備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超彈性低彈性模量鈦合金材料及其製備方法和應用，特別涉及一種超彈性低彈模T1-Nb-Zr-O合金材料及其製備方法和應用，屬於生物醫用材料領域。
【背景技術】
[0002]TiNi合金由於具有優異的形狀記憶效應和超彈性，在齒科、介入治療等醫用領域得到廣泛應用，但是Ni具有生物毒性，可引起神經紊亂等症狀。為了避免Ni的生物毒性，各國相繼開發無鎳生物醫用材料，以期替代TiNi合金。鈦合金由於具有比強度高、生物相容性好、抗腐蝕性能優異，以及冷成型性能好等優點受到廣泛關注。大量研究表明，Nb、Ta、Zr、Mo、Sn等元素具有良好的生物相容性，因此，T1-Nb, T1-Mo, T1-Ta系等完全由生物安全元素組成的β鈦合金成為研究重點。
[0003]在T1-Nb 二元系合金中，當Nb含量超過25&七％時，合金呈現超彈性，但是超彈性較低，這主要是由於合金的臨界滑移應力低導致的，因此需要強化合金。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是提出一種超彈性、低彈性模量、生物相容性好的乳制T1-Nb-Zr-O合金及其製備方法，該合金可以廣泛用於製作牙弓絲、支架等生物醫用材料。
[0005]—種低彈性模量高強鈦合金材料，具體為T1-Nb-Zr-O合金材料，該合金材料由銀、錯、氧和鈦組成，其原子百分比組成為銀18%，錯10?13%，氧0.5?1.5%，餘量為鈦，並且上述各成分的含量之和為100%。
[0006]本發明將Zr添加到T1-Nb合金中，可以有效的降低合金的馬氏體相變溫度，提高合金的臨界滑移應力。O作為間隙原子，對於提高T1-Nb合金的臨界滑移應力也十分有效，但是O添加過量對於合金的塑性不利，因此本發明控制了 O的添加量。
[0007]經過冷乳和退火處理後，本發明合金的室溫超彈性為2.5?4.5%，彈性模量為50?60GPa，延伸率為6?20 %。
[0008]本發明低彈性模量高強鈦合金材料的製備方法，包括如下工藝步驟:
[0009](I)採用鈦、鈮、鋯和二氧化鈦為原料，按照上述配比進行配料，將稱取的原料放入非自耗真空電弧爐內熔煉成T1-Nb-Zr-O合金鑄錠；
[0010](2)將製得的T1-Nb-Zr-O合金進行固溶處理，水淬；
[0011](3)將固溶處理後的合金進行冷乳，變形量彡75%，在空氣中進行；
[0012](4)將冷乳板材進行退火處理，空冷，獲得完全β相組織。
[0013]步驟(I)中，鈮優選為鈦鈮中間合金Ti_45Nb等。
[0014]步驟(2)中，所述的固溶處理的溫度為800?880°C，時間為I?2小時。
[0015]步驟⑷中，所述的退火處理的溫度為500?600°C，時間為0.5?lh。
[0016]上述合金材料由於具有超彈性、低彈性模量及較好的生物相容性，可用作生物醫用材料，如用於製作牙弓絲、支架等。
[0017]本發明的超彈性低彈模T1-Nb-Zr-O合金，在保證鈦合金馬氏體相變點低於室溫的情況下，降低Nb、增加Zr和0，可降低熔煉難度，且組分都為無毒元素，對人體無害，可作為生物醫用材料。採用真空非自耗電弧爐熔煉加固溶處理、冷乳、短時退火處理，獲得的材料的室溫超彈性為2.5?4.5 %，彈性模量為50?60GPa，延伸率為6?20 %，適合於做支架、牙弓絲等生物醫用材料。
【附圖說明】
[0018]圖1是T1-18Nb-13Zr-0.50合金退火態X射線衍射圖譜。
[0019]圖2是T1-18Nb-13Zr-0.50合金退火態室溫拉伸加載卸載應力-應變曲線。
【具體實施方式】
[0020]下面將結合實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0021]實施例1:製備T1-18Nb-10Zr-0.50合金材料
[0022](l)T1-18Nb-10Zr-0.50合金，原材料為O級海綿T1、火器級海綿Zr、Ti_45Nb中間合金、T12粉末，按照成分配比進行配料，經非自耗真空電弧爐熔煉，充分攪拌，熔煉次數為3 ?5 次，得到 T1-18Nb-10Zr-0.50 鑄錠；
[0023](2)將上述製得的T1-18Nb-10Zr-0.50合金進行線切割，放入熱處理爐內進行熱處理，熱處理溫度850°C下保溫I小時後，水淬。
[0024](3)將固溶處理後的合金進行冷乳，變形量90%，在空氣中進行；即可得到T1-18Nb-10Zr-0.50 板材；
[0025](4)將冷乳板材在600°C進行0.5h退火處理，空冷，獲得完全β相組織。
[0026]材料性能:室溫超彈性2.5 %，彈性模量60GPa，延伸率18 %.
[0027]實施例2:製備T1-18Nb-10Zr-l.50合金材料
[0028](l)T1-18Nb-10Zr-l.50合金，原材料為O級海綿T1、火器級海綿Zr、Ti_45Nb中間合金、T12粉末，按照成分配比進行配料，經非自耗真空電弧爐熔煉，充分攪拌，熔煉次數為3 ?5 次，得到 T1-18Nb-10Zr-l.50 鑄錠；
[0029](2)將上述製得的T1-18Nb-10Zr-l.50合金進行線切割，放入熱處理爐內進行熱處理，熱處理溫度850°C下保溫1.5小時後，水淬。
[0030](3)將固溶處理後的合金進行冷乳，變形量80%，在空氣中進行；即可得到T1-18Nb-10Zr-l.50 板材；
[0031](4)將冷乳板材在580°C進行Ih退火處理，空冷，獲得完全β相組織。
[0032]材料性能:室溫超彈性3 %，彈性模量58GPa，延伸率10 %。
[0033]實施例3:製備T1-18Nb-13Zr-0.50合金材料
[0034](l)T1-18Nb-13Zr-0.50合金，原材料為O級海綿T1、火器級海綿Zr、Ti_45Nb中間合金、T12粉末，按照成分配比進行配料，經非自耗真空電弧爐熔煉，充分攪拌，熔煉次數為3 ?5 次，得到 T1-18Nb-13Zr-0.50 鑄錠；
[0035](2)將上述製得的T1-18Nb-13Zr-0.50合金進行線切割，放入熱處理爐內進行熱處理，熱處理溫度800°C下保溫1.5小時後，水淬。
[0036](3)將固溶處理後的合金進行冷乳，變形量85%，在空氣中進行；即可得到T1-18Nb-13Zr-0.50 板材；
[0037](4)將冷乳板材在500°C進行0.5h退火處理，空冷，獲得完全β相組織。
[0038]材料性能:室溫超彈性3.3 %，彈性模量53GPa，延伸率20 %.
[0039]如圖1所示，為T1-18Nb-13Zr-0.50合金退火態X射線衍射圖譜，可以看到此時合金為完全β相組織。如圖2所示，為T1-18Nb-13Zr-0.50合金退火態室溫拉伸加載卸載應力-應變曲線。合金的超彈性為3.3%
[0040]實施例4:製備T1-18Nb-13Zr-l.50合金材料
[0041](l)T1-18Nb-13Zr-l.50合金，原材料為O級海綿T1、火器級海綿Zr、Ti_45Nb中間合金、T12粉末，按照成分配比進行配料，經非自耗真空電弧爐熔煉，充分攪拌，熔煉次數為3 ?5 次，得到 T1-18Nb-13Zr-l.50 鑄錠；
[0042](2)將上述製得的T1-18Nb-13Zr-l.50合金進行線切割，放入熱處理爐內進行熱處理，熱處理溫度820°C下保溫2小時後，水淬。
[0043](3)將固溶處理後的合金進行冷乳，變形量75%，在空氣中進行；即可得到T1-18Nb-13Zr-l.50 板材；
[0044](4)將冷乳板材在530°C進行Ih退火處理，空冷，獲得完全β相組織。
[0045]材料性能:室溫超彈性4%，彈性模量50GPa，延伸率6%.
[0046]實施例5:製備T1-18Nb-l IZr-1O合金材料
[0047](I)T1-18Nb-lIZr-1O合金，原材料為O級海綿T1、火器級海綿Zr、Ti_45Nb中間合金、T12粉末，按照成分配比進行配料，經非自耗真空電弧爐熔煉，充分攪拌，熔煉次數為3 ?5 次，得到 T1-18Nb-l IZr-1O 鑄錠；
[0048](2)將上述製得的T1-18Nb-llZr-10合金進行線切割，放入熱處理爐內進行熱處理，熱處理溫度850°C下保溫I小時後，水淬。
[0049](3)將固溶處理後的合金進行冷乳，變形量85%，在空氣中進行；即可得到T1-18Nb-l IZr-1O 板材；
[0050](4)將冷乳板材在550°C進行Ih退火處理，空冷，獲得完全β相組織。
[0051]材料性能:室溫超彈性4.5%，彈性模量55GPa，延伸率14%。
[0052]本發明的超彈性低模量T1-Nb-Zr-O合金材料，採用真空非自耗電弧爐熔煉成T1-Nb-Zr-O鑄錠，將鑄錠在800?880°C固溶處理，水淬；然後將鑄錠進行冷乳，變形率大於75% ;將冷乳板材在500?600°C進行0.5?Ih退火處理，空冷，獲得室溫超彈性為2.5?4.5%,彈性模量為50?60GPa，延伸率6?20%的超彈性低彈模鈦合金，該合金可以廣泛用於牙弓絲、支架及其他醫療器件。
【主權項】
1.一種低彈性模量高強鈦合金材料，其特徵在於:該合金材料由鈮、鋯、氧和鈦組成，其原子百分比組成為鈮18%，鋯10?13%，氧0.5?1.5%，餘量為鈦。2.如權利要求1所述的低彈性模量高強鈦合金材料的製備方法，包括如下步驟: (1)採用鈦、鈮、鋯和二氧化鈦為原料，按照配比進行配料，將稱取的原料放入非自耗真空電弧爐內熔煉成T1-Nb-Zr-O合金鑄錠； (2)將製得的T1-Nb-Zr-O合金進行固溶處理，水淬； (3)將固溶處理後的合金進行冷乳，變形量多75%，在空氣中進行； (4)將冷乳板材進行退火處理，空冷，獲得完全β相組織。3.如權利要求2所述的低彈性模量高強鈦合金材料的製備方法，其特徵在於:所述的固溶處理的溫度為800?880°C，時間為I?2小時。4.如權利要求2所述的低彈性模量高強鈦合金材料的製備方法，其特徵在於:所述的退火處理的溫度為500?600°C，時間為0.5?Ih。5.如權利要求2所述的低彈性模量高強鈦合金材料的製備方法，其特徵在於:鈮為鈦鈮中間合金。6.如權利要求1所述的低彈性模量高強鈦合金材料在生物醫用材料中的應用。
【專利摘要】本發明涉及一種超彈性低彈性模量鈦合金材料及其製備方法和應用，屬於生物醫用材料領域。該合金材料由鈮、鋯、氧和鈦組成，其原子百分比組成為鈮18％，鋯10～13％，氧0.5～1.5％，餘量為鈦。採用真空非自耗電弧爐熔煉加固溶處理、冷軋、短時退火處理，獲得的材料的室溫超彈性為2.5～4.5％，彈性模量為50～60GPa，延伸率為6～20％，適合於做支架、牙弓絲等生物醫用材料。
【IPC分類】A61L31/02, A61L27/06, C22C14/00, C22F1/18
【公開號】CN105714149
【申請號】CN201410736406
【發明人】宋曉雲, 葉文君, 惠松驍, 于洋, 劉睿, 李成林
【申請人】北京有色金屬研究總院