一种生物医用TiNb基钛合金及其制备方法技术

本文发明专利技术公开了一种生物医用钛合金及其制备方法，钛合金包含Ti、Nb、O三种元素，成分包括31～39wt％的Nb、0.4～0.8wt％的O和余量的Ti及其他不可避免的杂质；通过热处理，最终控制合金组织α相含量不超过15％，β相的Nb含量为38～40％；合金弹性模量为50～65GPa，抗拉强度900MPa以上。本发明专利技术的低模高强钛合金具有较高的氧含量，可以降低熔炼制备过程中除氧成本，同时具有优异的力学性能，具有重要的理论意义和工程价值。

【技术实现步骤摘要】
一种生物医用TiNb基钛合金及其制备方法
本专利技术属于生物医用钛合金
，尤其涉及一种低成本的低模量高强度的医用含氧钛合金及其制备方法。
技术介绍
生物医用材料是一种可用于诊断、治疗或替代人体组织、器官或增进其功能的先进多功能材料。随着经济的不断发展及现代医疗科技的不断进步，社会人口老龄化愈加严重，对于生物医用材料的性能需求也在不断提高。钛合金由于具有密度小、比强度高、生物及力学相容性好、耐腐蚀等优异性能，被广泛应用在生物医学领域。低模量和高强度是保证生物医用材料在体内长期稳定服役并发挥持久治疗效果的关键力学性能。为避免Al、V等有毒元素对人体的危害，TiNb基合金逐渐成为新一代生物医用钛合金的重要研究方向。而TiNb二元合金较低的强度，严重限制其广泛应用。目前，大多数研究以添加大量固溶元素为主要方式提高其强度。已经开发出Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr、Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn、Ti-35N-5Ta-Zr等亚稳β钛合金，并逐渐或者已经被应用到临床中。但是以上合金在大规模商业制备过程中，存在一定的不足之处。该类含有较多的β稳定元素(Ta、Mo等)和/或中性元素(Zr、Hf、Sn等)，使得此类合金都包含复杂的合金组成，在制备过程中容易引入杂质，造成元素偏析等现象，对合金性能产生影响，另外合金中含有较多的高熔点成分，从而提高了制备成本。除此之外，以上合金将氧元素看作有害的杂质元素，而钛合金在制备过程中极易被氧化。因此往往需要更高的成本控制合金制备过程中引入的氧含量。
技术实现思路
为了解决上述已有技术存在的不足，本专利技术提出一种医用钛合金，其包括Ti、Nb和O元素，通过合金元素组分和热处理方式设计，减少了钛合金原料种类，并使得在较高氧含量下仍具有低模量、高强度、高塑性的优异综合性能。本专利技术的具体技术方案如下：一种生物医用TiNb基钛合金，包括：31～39wt％的Nb、0.4～0.8wt％的O，余量为Ti及其他不可避免的杂质，合金组织为单一β相或者α和β两相，其中，合金组织为α和β两相时，α相含量不超过15％，β相的Nb含量为38～40％，所述钛合金的弹性模量为50～65GPa，抗拉强度900MPa以上。一种生物医用TiNb基钛合金的制备方法，包括以下步骤：S1：按31～39wt％的Nb、0.4～0.8wt％的O、余量为Ti的成分比例，将所述钛合金的纯Ti、纯Nb铸锭通过超声清洗并用酸洗去除表面杂质后与TiO2粉末混合，通过真空非自耗电弧熔炼炉熔炼，制备钛合金铸锭；S2：将步骤S1制备的钛合金铸锭在1000～1100℃下均匀化处理2h以上，然后在650～750℃进行热锻、轧制处理，得到钛合金板材或棒材；S3：将步骤S2得到的钛合金板材或棒材在(500～600)+650[O]℃进行固溶处理，氩气氛围保护，进行水冷得到最终的钛合金，其中，[O]为氧的质量百分数。一种生物医用TiNb基钛合金的应用，所述钛合金能够用于制备生物医用人体植入体。一种生物医用TiNb基钛合金的应用，所述生物医用人体植入体包括人工膝关节、股关节、股骨柄、腔骨、髓骨、螺钉和齿根。本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术的钛合金仅包括Ti、Nb和O三种元素，通过将三种元素组分设计为31～39wt％的Nb、0.4～0.8wt％的O和余量的Ti，使得在降低制造成本的同时使其弹性模量(50～65GPa)和抗拉强度(900MPa以上)达到使用要求。2)本专利技术的低模高强TiNbO合金，采用真空非自耗电弧炉熔炼，并进行均匀化、锻造、轧制、固溶等处理获得合金板材，最终的合金组织中α相不超过15％，β相的Nb含量为38～40％。经过室温拉伸测试，合金的性能为：弹性模量50-65GPa，抗拉强度为900MPa以上。3)本专利技术采用成分简单的合金组成，避免了在制备过程中易引入杂质，同时采用低熔点金属并具有较高含量的氧，降低了熔炼难度由此降低了制备成本，具有重要的理论意义和工程价值。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本专利技术的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本专利技术进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：图1为本专利技术的Ti-38Nb-0.6O钛合金热处理后的XRD图谱。图2为本专利技术的Ti-36Nb-0.5O钛合金的微观组织图。图3为本专利技术的钛合金的拉伸曲线。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本专利技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。氧元素是一种有效的固溶强化元素，能够提高合金的强度。因此以氧元素为主要强化元素，代替其他合金化元素，设计合金成分。同时利用适当的热机械处理手段，控制合金β相的体积分数及成分分布，在保留低模量特性的同时提高合金强度。能够有效的以更低的成本获得性能优异的生物医用钛合金材料，具有重要的理论意义和工程价值。一种生物医用TiNb基钛合金，包括：31～39wt％的Nb、0.4～0.8wt％的O，余量为Ti及其他不可避免的杂质，合金组织为单一β相或者α和β两相，其中，合金组织为α和β两相时，α相含量不超过15％，β相的Nb含量为38～40％，钛合金的弹性模量为50～65GPa，抗拉强度900MPa以上，平均价电子浓度e/a在4.24-4.26范围内。本专利技术使用TiO2粉末添加O使Ti-Nb合金在不大幅度提高模量的同时提高强度，合理的热处理温度控制微观组织及β相成分组成，最终本专利技术钛合金的弹性模量达到50～65GPa，抗拉强度达到900MPa以上。一种生物医用TiNb基钛合金的制备方法，包括以下步骤：S1：按31～39wt％的Nb、0.4～0.8wt％的O、余量为Ti的成分比例，将钛合金的各金属元素的铸锭或合金铸锭与TiO2粉末，通过超声清洗并用酸洗去除表面杂质，再通过真空非自耗电弧炉熔炼，制备钛合金铸锭；S2：将步骤S1制备的钛合金铸锭在1000～1100℃下均匀化处理2h以上，然后在650～750℃进行热锻、轧制处理，得到钛合金板材或棒材；S3：将步骤S2得到的钛合金板材或棒材在(500～600)+650[O]℃进行固溶处理，氩气氛围保护，进行水冷得到最终的钛合金，其中，[O]为氧的质量百分数。通过一种生物医用TiNb基钛合金的制备方法，最终获得的钛合金组织α相含量不超过15％，β相的Nb含量为38～40％。一种生物医用TiNb基钛合金的应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物医用TiNb基钛合金，其特征在于，包括：31～39wt％的Nb、0.4～0.8wt％的O，余量为Ti及其他不可避免的杂质，合金组织为单一β相或者α和β两相，其中，合金组织为α和β两相时，α相含量不超过15％，β相的Nb含量为38～40％，所述钛合金的弹性模量为50～65GPa，抗拉强度900MPa以上。/n

【技术特征摘要】
1.一种生物医用TiNb基钛合金，其特征在于，包括：31～39wt％的Nb、0.4～0.8wt％的O，余量为Ti及其他不可避免的杂质，合金组织为单一β相或者α和β两相，其中，合金组织为α和β两相时，α相含量不超过15％，β相的Nb含量为38～40％，所述钛合金的弹性模量为50～65GPa，抗拉强度900MPa以上。


2.根据权利要求1所述的一种生物医用TiNb基钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按31～39wt％的Nb、0.4～0.7wt％的O、余量为Ti的成分比例，将所述钛合金的纯Ti、纯Nb铸锭通过超声清洗并用酸洗去除表面杂质后与TiO2粉末混合，通过真空非自耗电弧熔炼炉熔炼，制备钛合...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖文龙，王俊帅，马朝利，付雨，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11