一種Ti-Ta合金及其製備方法和應用的製作方法
2023-04-25 11:27:46
一種Ti-Ta合金及其製備方法和應用的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種Ti-Ta合金及其製備方法和應用，屬於粉末冶金製備【技術領域】。本發明所述Ti-Ta合金，以原子百分比計包括：Ti50-80％、Ta 20-50％；所述Ti-Ta合金的孔隙率為2.0-15.5％；所述Ti-Ta合金含有富Ta區和富Ti區，富Ta區與富Ti區交替分布，相鄰的富Ta區與富Ti區之間存在過渡區；所述富Ta區以原子百分比計包括：Ta 70-80％、Ti 30-20％；所述富Ti區以原子百分比計包括：Ti 70-80％、Ta 30-20％。本發明以粒度為45～150μm的鈦粉和粒度度為1～10μm的鉭粉為原料，通過粉末冶金法得到了彈性模量適中、強度高的鈦合金。本發明的製備過程簡單，成本低，降低能耗，適合於大批量生產。
【專利說明】一種T1-Ta合金及其製備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種T1-Ta合金及其製備方法和應用，屬於粉末冶金製備【技術領域】。技術背景
[0002]在人工生物醫用植入金屬材料中，鈦合金因其良好的力學性能(高比強度、低彈性模量)，優異的生物相容性，以及抗腐蝕、耐磨損等性能，成為人造關節、骨創傷產品、脊柱矯形內固定系統的首選。然而，傳統的醫用鈦合金主要面臨以下幾個問題:
[0003]①毒性。常見植入鈦合金如T1-6A1_4V，T1-6Al-7Nb等材料中含有Al，V等元素，都被證明是對人體有害的元素，在長期使用過程中會不可避免滲入到周邊組織，對植入者健康產生潛在威脅。
[0004]②彈性模量過高。人體骨骼彈性模量較低(10?40GPa)，而通用植入鈦及鈦合金一般為α或α+β型，一般具有較高的模量，作為植入體會產生應力屏蔽作用，導致其與植入組織不能產生較好的力學融合，造成植入失敗。
[0005]③強度低。植入鈦合金在人體複雜的生物環境中經歷長期的應力作用，過低的強度容易導致材料發生斷裂、失效，造成植入失敗。
[0006]為了克服元素的毒性，目前國際上研發集中在無毒、無過敏性元素的生物醫用鈦合金體系,添加Nb，Ta, Zr, Sn, Mo等作為合金元素。這些元素已被證明不含毒性，同時有助於鈦合金中β相的形成。β相能夠降低彈性模量，同時增強耐磨性以及抗腐蝕性能。除了通過生成β相降低彈性模量，研究發現，多孔材料也能夠有效降低彈性模量。粉末冶金方法製備鈦合金因具有適當孔隙，能使材料的彈性模量下降，而受到研究者的廣泛關注。儘管孔隙度增高能夠大幅降低鈦合金的彈性模量，但過高的孔隙度又會降低材料的強度而導致植入失敗。如何平衡彈性模量與強度又成為新的難題，開發低彈性模量、高強度且生物相容性好的植入β型鈦合金體系成為當今研究的熱點。
[0007]在眾多β相添加元素中，Ta元素是公認的生物相容性最好、抗腐蝕能力最強的添加元素。zhou等人開發了 T1-Ta系列的β型醫用鈦合金(Zhou Y L, Niinomi M, AkahoriΤ.Effects of Ta content on Young』 s modulus and tensile properties of binaryT1-Ta alloys for b1medical applicat1ns [J].Materials Science and Engineering: A, 2004，371 (I): 283-290.)。其選取成分 T1-10, 20，30，40，50，60，70，80 (wt.% ) Ta, M終產品為晶粒尺寸在50-60 μ m、無孔隙存在的均勻合金體。經測試其彈性模量相對較低(70-100GPa)，抗拉強度在400_700MPa之間。但由於Ta元素熔點較高，因此製備該合金需要在較高的溫度(3000°C以上)對母合金進行熔煉，同時為了獲得較好的組織與力學性能，需在熔煉後進行均勻化退火、軋制等加工，這些苛刻條件和複雜工序限制了其在工業化大批量生產。
[0008]中國發明專利(CN 102146534 A)公布了一種T1-Nb-Ta-Zr近β型醫用鈦合金的製備方法，通過該方法製備出的鈦合金晶粒尺寸在20-30 μ m,無孔隙存在，具有較低彈性模量(42-65GPa)，抗拉強度有所提高(590_971MPa)，但由於添加元素種類過多，成分控制困難，為了保證難熔Ta元素的均勻化，需選用Nb-Ta中間合金提供Ta元素，之後需經過多次熔煉-熱處理-軋制-熱處理等一系列複雜加工程序，難度大，成本極高。
[0009]中國發明專利(CN 101418392 A)公布了一種生物多孔鈦的製備方法。該方法採用粉末冶金工藝，通過添加造孔劑獲得多孔鈦合金，產品孔隙度在60?70%之間，彈性模量大於0.3GPa，但抗拉強度僅為40MPa左右，並不能滿足實際應用中對材料強度的要求。
[0010]由上可知，製備一種彈性模量低、強度較高、生物相容性好、同時成本低廉能夠實現大規模生產和應用的鈦合金顯得十分重要。
【發明內容】
[0011]本發明的目的在於克服現有技術不足而提供一種工藝簡單，成分設計合理，燒結後得到彈性模量低、抗拉強度高、生物相容性好的粉末冶金醫用T1-Ta合金。
[0012]本發明一種T1-Ta合金，以原子百分比計包括:
[0013]Ti 50-80% ；
[0014]Ta 20-50% ；
[0015]所述T1-Ta合金的孔隙率為2.0-15.5%，優選為3.0_8.9 %，進一步優選為4.7-5.6% ；
[0016]所述T1-Ta合金含有富Ta區和富Ti區，富Ta區與富Ti區交替分布，相鄰的富Ta區與富Ti區之間存在過渡區。
[0017]本發明一種T1-Ta合金，
[0018]所述富Ta區以原子百分比計包括:
[0019]Ta 70-80% ；
[0020]Ti 30-20% ；
[0021]所述富Ti區以原子百分比計包括:
[0022]Ti 70-80% ；
[0023]Ta 30-20% ；
[0024]所述過渡區以原子百分比計包括:
[0025]Ti 30-70% ；
[0026]Ta 70-30%。
[0027]本發明一種T1-Ta合金,所述T1-Ta合金為β型鈦合金。
[0028]本發明一種T1-Ta合金,所述T1-Ta合金中晶粒尺寸為1-10 μ m。
[0029]本發明一種T1-Ta合金，其抗拉強度為870_1300Mpa，優選為900_1300Mpa，進一步優選為1000-1300Mpa，彈性模量為50_70Gpa，優選為50_60Gpa，進一步優選為50_55Gpa。
[0030]本發明一種T1-Ta合金的製備方法,其實施方案為:
[0031]將按設計合金組分配的取鈦粉和鉭粉混合均勻後，壓製成型，得到坯料，然後，在真空條件下，對所得坯料進行燒結，得到T1-Ta合金；所述鈦粉的粒度為45-150 μ m,所述鉭粉的粒度為1-10 μ m，並控制所加入鈦粉和鉭粉的平均粒徑比在40:1?30:1之間；燒結時，控制溫度為1200-1500°C，優選為1300-1450°C，進一步優選為1400-1450°C、時間為l-5h，優選為2-3h，進一步優選為2-2.5h。
[0032]本發明一種T1-Ta合金的製備方法，所述鈦粉的粒度優選為38-75 μ m，進一步優選為 38-45 μ m,
[0033]本發明一種T1-Ta合金的製備方法，所述鉭粉的粒度優選為2-8 μ m，進一步優選為 2.5-4 μ m。
[0034]本發明一種T1-Ta合金的製備方法，所述鈦粉的純度>99.5% ;所述鉭粉的純度彡 99.7%。
[0035]本發明一種T1-Ta合金的製備方法,壓製成型時,控制壓力在100?300Mpa,優選為150-250Mpa，進一步優選為180_200Mpa、保壓時間為I?5min，優選為2_4min，進一步優選為 2.5-3min。
[0036]本發明一種T1-Ta合金的製備方法，燒結時，控制爐內的絕對壓力為5_9xl0_3pa、控制升溫速率為10-20°C /min。
[0037]本發明一種T1-Ta合金的製備方法，燒結完成後，隨爐冷卻至室溫得到T1-Ta合金。
[0038]本發明所設計和製備的T1-Ta合金，其用途包括用於生物醫用材料。
[0039]原理和優勢:
[0040]本發明通過合理的組分配比、合理的製備工藝，採用粉末冶金法直接製備出了強度高達870-1300MP、彈性模量為50-70GPa的T1-Ta合金，解決了現有熔鑄法製備T1-Ta合金時存在的高能耗、多工序、成本高的難題，具有較高的抗拉強度和較低的彈性模量。
[0041]本發明所設計的T1-Ta合金，通過以下三個方面提高其強度:類似複合材料的區域交替分布結構，細晶強化，固溶強化。
[0042]本發明通過合理的製備工藝，使得合金內的富Ta區與富Ti區呈交替分布，且相鄰的富Ta區與富Ti區之間存在過渡區。交替分布的富Ti區與富Ta區的作為二次相，能夠有效的阻止位錯的運動，起到區域強化作用，其強化機理類似於複合材料中的增強相對基體的增強。這種交替分布形成過程如下:冷等靜壓後的壓坯，較大的鈦顆粒被細小的鉭顆粒環繞，同時細小的鉭顆粒部分聚集，經燒結後成為富Ta區，較大的鈦顆粒則成為燒結後的富Ti區，其過渡區則由燒結過程中發生在鈦顆粒和鉭顆粒之間的擴散產生。為了獲得這種交替分布的結構，合理選取原始粉末粒徑比就顯得很重要。本發明選取Ti的粒徑在45?150 μ m, Ta的粒徑在I?10 μ m，粒徑比控制在:40:1?30:1之間。鉭的擴散速率低，而粒徑越小的鉭粉比表面能越大，在燒結中的擴散速率會提高，理論上粒徑越小的鉭粉越有利於燒結，但考慮到納米級的鉭粉製備成本高，本發明選用粒徑範圍在1-10 μ m範圍內的鉭粉。
[0043]本發明材料強度高，除了富Ti區和富Ta區交替存在的結構，細晶強化及固溶強化也起到了一定作用。根據《材料力學原理》，一種材料的彈性模量與其物相組成及化學成分關係密切，與其晶粒尺寸關係不大。但細化晶粒能提聞材料的抗拉強度。因而對於特定成分的材料，在彈性模量固定的前提下，人們通常採取包括軋制、鍛造、熱處理等加工的手段獲得細小晶粒組織，進而提高材料的抗拉強度。本發明則另闢蹊徑，通過粉末冶金工藝控制晶粒形成，將燒結時間限制在l_5h之間，與傳統的幾十個小時燒結時間相比，晶粒來不及長大，因而能得到細小晶粒。而且Ta元素擴散速率慢，降低了體系的擴散係數，晶粒界面遷移受阻抑制了晶粒長大，再加上原始鉭的粒徑限制在1-10 μ m之間，這些因素都促進晶粒細化，在燒結後直接得到細小晶粒組織，獲得細晶強化。同時鈦粉與鉭粉擴散過程中產生富鈦區與富鉭區，分別是鈦中溶入鉭原子以及鉭中溶入鈦原子，溶質原子會造成晶格畸變，增大位錯運動組裡，使滑移難以進行，從而使合金固溶的強度提高，產生固溶強化。
[0044]本發明通過製備過程原料和工藝參數的嚴格限定，得到孔隙率為2.9-15.0%，優選為3.0-8.9%，進一步優選為4.7-5.6%的T1-Ta合金；實現了彈性模量與高強度的完美匹配，拓寬了低彈性模量、高強度鈦合金的應用範圍。
[0045]鈦、鉭等金屬均為高熔點金屬，擴散係數低，傳統粉末冶金鈦合金工藝為了獲得擴散均勻體，一般要較長的燒結時間和較高的燒結溫度以促進鈦元素與合金元素的均勻化擴散，得到均勻的合金體。但燒結的時間越長，所得到的晶粒就越大；由於鈦元素與鉭元素擴散速率不同而引起的柯肯達爾效應就越明顯，會產生較多孔洞。這些都會顯著減弱樣品的抗拉強度。另一方面，燒結時間過短，鈦粉與鉭粉來不及通過燒結產生有效擴散連接，粉末基本處於原始狀態，冶金結合不牢固，同樣強度過低。本發明摒棄了傳統燒結時，需將T1、Ta元素通過熱擴散，得到原子級別均勻體的理念，採用富Ta區與富Ti區交替分布的設計理念，得到了彈性模量與強度俱佳的鈦合金，為了實現富Ta區與富Ti區的交替分布，本發明必須嚴格控制燒結時間和溫度，本發明的燒結時間為l_5h，時間過長，材料中就不會存在明顯的富Ta區與富Ti區；時間過短，鈦粉與鉭粉來不及通過燒結產生有效擴散連接，粉末基本處於原始狀態，冶金結合不牢固，同樣強度過低。本發明將燒結溫度控制在1200-1500°C，過低的燒結溫度不利於鈦粉和鉭粉的冶金結合，所得到的產品緻密度低，強度低；過高的燒結溫度會在燒結過程中產生液相，破壞合金結構，同時增加了成本。
[0046]本發明嚴格控制燒結時爐內的氣壓，是因為:燒結過程中，Ti粉活性很大，表面極易吸附氧和水蒸氣，形成緻密的氧化膜。這些氧化膜的存在阻礙燒結過程的進行，而且隨著燒結的進行，表面氧會轉變為晶內氧，使鈦合金基體氧含量提高，使最終產品的塑性和強度嚴重惡化。因而需要在較高的真空度下進行燒結，以排除氧和水蒸氣對最終燒結產品性能的影響。更高的真空度意味著更高的成本。從實際生產應用的考慮出發，所以本發明將燒結的真空度控制在5-9xl0_3的範圍內。
[0047]本發明的優點是:解決了現行熔鑄及軋制等加工手段難以得到的細化晶粒和複合增強體，具有工藝簡單、參數合理，對加工程序要求低等優點，得到的材料力學性能優異、生物相容性好，並且可以進行工業化生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0048]附圖1為實施例1所製備的Ti_20Ta合金的金相圖(放大倍數為50倍)；
[0049]附圖2-1為實施例1所製備的Ti_20Ta合金的高倍金相圖(放大倍數為500倍)；
[0050]附圖2-2為附圖2-1中富Ta區的能譜分析圖；
[0051]附圖2-3為附圖2-1中富Ti區的能譜分析圖；
[0052]附圖2-4為附圖2-1中T1、Ta擴散連接層成分曲線圖；
[0053]附圖3為實施例4所得Ti_20Ta合金的成骨細胞生長圖；
[0054]附圖4為實施例8所得Ti_42Ta合金的XRD圖；
[0055]附圖1中，中較亮的區域為富Ta區，較暗的區域為富Ti區，兩者交替均勻分布。同時可以看到黑色的孔隙均勻分布在整個機體上。
[0056]附圖2-1中，A為富Ti區、B為過渡區、C為富Ta區，從圖2_1可以看出所製備的T1-20Ta合金的晶粒細小且均勻，平均晶粒尺寸在8 μ m左右。
[0057]從附圖2-2中可以看出富Ta區中，Ta的原子個數百分比為73.27%,Ti的原子個數百分比為26.73%。
[0058]從附圖2-3中可以看出富Ti區中，Ta的原子個數百分比為27.99%,Ti的原子個數百分比為72.01%。
[0059]從附圖2-4中可以看出相鄰富Ta區、富Ti區之間T1、Ta成分隨擴散距離變化情況。
[0060]附圖3為所製備的Ti_20Ta合金按照標準ISO 10993-5:1999進行體外成骨細胞生長實驗所得結果的照片圖，從圖3可以看出成骨細胞(在圖中用白色虛線圓圈出)呈扁平形狀鋪展開來，伸出細長偽足(在圖中用白色剪頭標明)，表明細胞能夠較好生長在材料表面，該材料有利於骨組織吸附生長。
[0061]從圖4中可以看出所得T1-Ta合金由單一體心立方結構β相組成。
【具體實施方式】
[0062]以下結合實施例對本發明的技術方案作進一步描述。
[0063]實施例1:
[0064](I)按Ti80%，Ta20%的原子含量百分比(at.%)，稱取純度為99.9%，平均粒度為45 μ m的金屬鈦粉末和純度為99.8%，平均粒度為2 μ m的金屬鉭粉末共計500克；
[0065](2)將步驟(I)稱取的金屬粉末放入V型混料機中進行混料，時間為8h小時，得到混合均勻的粉末。而後混合好的粉末裝入橡膠包套中，密封好後放入冷等靜壓池，採用180MPa的壓力進行壓制，保壓時間為3min。
[0066](3)將壓制後的坯料放入真空爐中，保證真空度高於10_5Pa，以10°C /min的速度升溫，將溫度升至1250°C燒結，保溫2h，隨爐冷卻後得到醫用多孔鈦鉭合金。
[0067]利用金相顯微鏡觀察燒結後的樣品，如圖1所示，可以發現，本例中燒結後組織呈現複合結構，其中較亮的區域為富Ta區，較暗的區域為富Ti區，兩者交替均勻分布。同時可以看到黑色的孔隙均勻分布在整個機體上。圖2為對局部區域放大後的金相照片，可以看到，無論富Ti區和富Ta區,其平均晶粒尺寸均在1-10 μ m之間。
[0068]經檢測，本材料的彈性模量:61GPa，抗拉強度:1250MPa，孔隙度:2.6%
[0069]實施例2:
[0070]將實施例1的步驟(I)中的原子比改為Ti70%，Ta30%，其餘步驟以及參數同實施例I。
[0071]相比於實施例1，本實施例中Ta含量增加，進而孔隙含量增加，影響最終彈性模量和力學性能。
[0072]經檢測，本材料的彈性模量:69GPa，抗拉強度:1300MPa，孔隙度:1.9%。
[0073]實施例3:
[0074]將實施例1步驟⑵中冷等靜壓壓力選取為lOOMPa，其餘步驟以及參數同實施例1o
[0075]冷等靜壓壓力降低後，壓坯的緻密度降低，進而影響到最終燒結體的孔隙度及力學性能。
[0076]經檢測，本材料的彈性模量:56GPa，抗拉強度:1050MPa，孔隙度:9%。
[0077]實施例4:
[0078]將實施例1步驟(2)中冷等靜壓保壓時間設置為lmin，其餘步驟以及參數同實施例I。
[0079]冷等靜壓保壓時間降低後，壓制過程中鈦顆粒和鉭顆粒重排時間減短，壓坯的緻密度降低，進而影響到最終燒結體的孔隙度及力學性能。
[0080]該合金的細胞生長實驗結果如圖3所示，成骨細胞在3天培養後呈現細長而的形狀，伸出較長的偽足，能夠較好的生長在材料表面，表明該材料的生物相容性極其優異。
[0081]經檢測，本材料的彈性模量:55GPa，抗拉強度:1020MPa，孔隙度:9.6%。
[0082]實施例5:
[0083](I)按Ti63%，Ta37%的原子含量百分比(at.%)，稱取純度為99.9%，平均粒度為38 μ m的金屬鈦粉末和純度為99.8%，平均粒度為I μ m的金屬鉭粉末共計500克；
[0084](2)將步驟(I)稱取的金屬粉末放入V型混料機中進行混料，時間為1h小時，得到混合均勻的粉末。而後混合好的粉末裝入橡膠包套中，密封好後放入冷等靜壓池，採用150MPa的壓力進行壓制，保壓時間為2.5min。
[0085](3)將壓制後的坯料放入真空爐中，保證真空度小於10_5Pa，以10°C /min的速度升溫，將溫度升至1350°C燒結，保溫3h，隨爐冷卻後得到醫用多孔鈦鉭合金。
[0086]經檢測，本材料的彈性模量:57GPa，抗拉強度:1080MPa，孔隙度:4.1 %。
[0087]實施例6:
[0088]將實施例5步驟(3)中燒結溫度改為1450°C，其餘步驟以及參數同實施例5。
[0089]提高燒結溫度後，材料擴散增強，孔隙度進一步減小，進而對彈性模量和抗拉強度產生影響。
[0090]經檢測，本材料的彈性模量:59GPa，抗拉強度:1220MPa，孔隙度:3.5%。
[0091]實施例7:
[0092]將實施例5步驟(3)中燒結時間改為5h，其餘步驟以及參數同實施例5。
[0093]延長燒結時間後，材料擴散增強，孔隙度增加，晶粒長大，進而對彈性模量和抗拉強度產生影響。
[0094]經檢測，本材料的彈性模量:56GPa，抗拉強度:1105MPa，孔隙度:4.2%。
[0095]實施例8:
[0096](I)按Ti58%，Ta42%的原子含量百分比(at.%)，稱取純度為99.9%，平均粒度為38 μ m的金屬鈦粉末和純度為99.8%，平均粒度為2 μ m的金屬鉭粉末共計500克；
[0097](2)將步驟(I)稱取的金屬粉末放入V型混料機中進行混料，時間為1h小時，得到混合均勻的粉末。而後混合好的粉末裝入橡膠包套中，密封好後放入冷等靜壓池，採用120MPa的壓力進行壓制，保壓時間為2.5min。
[0098](3)將壓制後的坯料放入真空爐中，保證真空度小於10_5Pa，以?Ο/min的速度升溫，將溫度升至1400°C燒結，保溫3h，隨爐冷卻後得到醫用多孔鈦鉭合金。
[0099]如圖4所示，經XRD物相分析，該合金為β型鈦合金。
[0100]經檢測，本材料的彈性模量:60GPa，抗拉強度:992MPa，孔隙度:8.7%
[0101]實施例9:
[0102](I)按Ti55%，Ta45%的原子含量百分比(at.% )，稱取純度為99.9%，平均粒度為75 μ m的金屬鈦粉末和純度為99.8%，平均粒度為5 μ m的金屬鉭粉末共計500克；
[0103](2)將步驟(I)稱取的金屬粉末放入V型混料機中進行混料，時間為8h小時，得到混合均勻的粉末。而後混合好的粉末裝入橡膠包套中，密封好後放入冷等靜壓池，採用180MPa的壓力進行壓制，保壓時間為3min。
[0104](3)將壓制後的坯料放入真空爐中，保證真空度高於10_5Pa，以10°C /min的速度升溫，將溫度升至1450°C燒結，保溫3.5h，隨爐冷卻後得到醫用多孔鈦鉭合金。
[0105]經檢測，本材料的彈性模量:53GPa，抗拉強度:976MPa，孔隙度:9.8%
[0106]實施例10:
[0107](I)按Ti50%，Ta50%的原子含量百分比(at.%)，稱取純度為99.9%，平均粒度為75 μ m的金屬鈦粉末和純度為99.8%，平均粒度為2 μ m的金屬鉭粉末共計500克；
[0108](2)將步驟(I)稱取的金屬粉末放入V型混料機中進行混料，時間為8h小時，得到混合均勻的粉末。而後混合好的粉末裝入橡膠包套中，密封好後放入冷等靜壓池，採用160MPa的壓力進行壓制，保壓時間為4min。
[0109](3)將壓制後的坯料放入真空爐中，保證真空度高於10_5Pa，以10°C /min的速度升溫，將溫度升至1500°C燒結，保溫3h，隨爐冷卻後得到醫用多孔鈦鉭合金。
[0110]經力學實驗檢測，本材料的彈性模量:50GPa，抗拉強度:890MPa，孔隙度:15.1%
[0111]對比例
[0112]對比例1:
[0113]將實施例1的步驟(I)中的燒結溫度改為950°C，該溫度處於權利要求書保護範圍之外，其餘步驟以及參數同實施例1。
[0114]經檢測，本材料的彈性模量:57GPa，抗拉強度:270MPa，孔隙度:9.3%。
[0115]相比於實施例1，本對比實施例中燒結溫度降低。由於擴散過程受溫度影響較大，溫度低則擴散係數降低。因而在燒結過程中，鈦顆粒與鉭顆粒擴散受限，未能充分形成擴散層，同時合金緻密化程度不高，燒結殘留孔隙較多。儘管較多的孔隙會在一定程度上降低彈性模量，但材料的抗拉強度明顯過低，不能作為植入材料長期使用。
[0116]對比例2:
[0117]將實施例8的步驟(I)中的金屬鉭粉平均粒度改為38 ym(該粒度範圍處於權利要求書保護範圍之外)其餘步驟以及參數同實施例8。
[0118]經檢測，本材料的彈性模量:89GPa，抗拉強度:190MPa，孔隙度:16.7%。
[0119]相比於實施例8，本對比實施例中金屬鉭粉粒度增大。由於純鉭的擴散係數低，在相同的燒結溫度和時間下，擴散距離固定，鉭粉顆粒越大則中心部分越不容易與擴散進來的鈦形成合金，仍然以鉭單質形式存在。單質鉭的彈性模量在190GPa左右，因而其存在顯著提高了材料最終的彈性模量。同時由於原始鉭顆粒的粒度較大，不利於形成較細晶粒，也使得材料最終抗拉強度下降。
[0120]對比例3
[0121]取粒度為38 μ m的金屬鉭粉、取粒度為20 μ m鉭粉、將燒結溫度控制在1650°C，燒結時間控制在10小時，其餘步驟以及參數同實施例5。
[0122]經檢測，本材料的彈性模量:75GPa，抗拉強度:260MPa，孔隙度:20%。
[0123]相比於實施例5，本對比實施例中燒結時間延長，燒結溫度提高。由於溫度升高則擴散係數變大，鈦粉與鉭粉在燒結過程中的擴散效率提高，而延長的燒結時間會增加擴散通量，鈦和鉭在燒結過程中充分擴散，最終得到均勻合金體，失去了區域強化的優勢。鈦和鉭元素本徵擴散係數的差異較大，因而升高的溫度和延長的擴散時間則會導致不均勻擴散，即柯肯達爾效應增加，產生大量孔隙。雖然孔隙的增加能再一定程度上降低彈性模量，但其對於抗拉強度的降低更為顯著，導致最終產品的強度下降過多。同時原始鉭粉粒徑增大、燒結時間延長和溫度提高意味著晶粒長大的趨勢更為明顯。最終產品晶粒尺寸增加至100 μ m級別，失去了細晶強化的優勢。
【權利要求】
1.一種T1-Ta合金，其特徵在於，以原子百分比計包括:
Ti 50-80% ；
Ta 20-50% ； 所述T1-Ta合金的孔隙率為2.0-15.5% ； 所述T1-Ta合金含有富Ta區和富Ti區，富Ta區與富Ti區交替分布，相鄰的富Ta區與富Ti區之間存在過渡區。
2.根據權利要求1所述的一種T1-Ta合金，其特徵在於:所述富Ta區以原子百分比計包括:
Ta 70-80% ；
Ti 30-20% ； 所述富Ti區以原子百分比計包括:
Ti 70-80% ；
Ta 30-20% ； 所述過渡區以原子百分比計包括:
Ti 30-70% ； Ta 70-30%。
3.根據權利要求1所述的一種T1-Ta合金，其特徵在於:所述T1-Ta合金為β型鈦合金。
4.根據權利要求1所述的一種T1-Ta合金,其特徵在於:所述T1-Ta合金中晶粒尺寸為 1-10 μ m。
5.根據權利要求1所述的一種T1-Ta合金，其特徵在於:其抗拉強度為870-1300MPa，彈性模量為50-70GPa。
6.一種製備如權利要求1-5任意一項所述T1-Ta合金的方法,其特徵在於: 將按設計的合金組分配取的鈦粉和鉭粉混合均勻後，壓製成型，得到坯料，然後，在真空條件下，對所得坯料進行燒結，得到T1-Ta合金；所述鈦粉的粒度為45-150 μ m,所述鉭粉的粒度為1-10 μ m，並控制所加入鈦粉和鉭粉的平均粒徑比為40:1-30:1 ;燒結時，控制溫度為 1200-1500°C，時間為 l_5h。
7.根據權利要求6所述的一種T1-Ta合金的製備方法，其特徵在於:所述鈦粉的粒度為38-75 μ m ;所述鉭粉的粒度為2-8 μ m。
8.根據權利要求6所述的一種T1-Ta合金的製備方法，其特徵在於:壓製成型時，控制壓力在100-300Mpa、保壓時間為l_5min。
9.根據權利要求6所述的一種T1-Ta合金的製備方法，其特徵在於:燒結時，控制爐內的絕對壓力為5-9xl0_3pa、控制升溫速率為10-20°C /min。
10.一種如權利要求1-5任意一項所述T1-Ta合金的應用，其特徵在於:所述T1-Ta合金的用途包括用做生物醫用材料。
【文檔編號】A61L27/06GK104342583SQ201410497701
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年9月25日 優先權日:2014年9月25日
【發明者】劉詠, 李開洋, 吳宏, 陳紫瑾, 蘭小東, 湯惠萍 申請人:中南大學