[发明专利]无镍生物医用钛合金Ti-Nb-Zr材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，涉及制作眼镜架、人工骨、人工关节、牙科固定器、牙科修复材料等用于人体组织修复、替代的新型医用钛合金，尤其是一种无镍生物医用钛合金Ti-Nb-Zr材料及其制备方法。

背景技术

近年来，Ti-Ni形状记忆合金以其形状记忆效应和超弹性两大特性广泛应用于工业、医疗等领域。但是，在欧洲、日本等地，人体对镍过敏反应，以及是否有毒的问题近来引起了人们的注意，因此，从生物相容性看，Ti-Ni合金在人体上的应用可能会被禁止。为使超弹性形状记忆合金在医疗领域能够安全应用，开发不含毒性且无致敏元素的形状记忆合金十分必要。

钛及其合金以其良好的综合机械性能、耐蚀性和优异的生物相容性在矫形外科方面已逐渐成为首选材料。在列入国际标准医用钛合金中，Ti-6Al-4V(ISO5832-3)存在工艺性能差、弹性模量与皮质骨不匹配、含有对人体有害的元素V等缺点；Ti-6Al-7Nb(ISO5832-11)力学性能和Ti-6Al-4V相似，因为用Nb代替了V，所以较Ti-6Al-4V有更好的生物相容性，但合金中仍含有可引起骨质溶解、神经紊乱的可疑元素Al。因而，研制具有更好综合机械性能、耐腐蚀性能和生物相容性的新型医用钛合金是非常必要的。近年来通过大量的实验研究发现，元素Zr、Ta、Nb、Pa、Pd、Hf等元素对软组织呈惰性，在人体中具有良好的生物相容性，并且它们的主要腐蚀产物在人体中比较稳定，不易发生水解，具有很好的耐蚀性。研究证实，元素zr、Nb、Ta能与Ti作用形成较强的键，起到固溶强化的作用，而且对合金塑性的影响较小。综合考虑合金化元素对合金机械性能、生物相容性和耐腐蚀性的影响及结合合金的设计原则，选定Zr、Nb、Ge、Mo、Ga为合金的组元制备医用合金材料是完全可能的。

通过检索，发现两篇相关的专利文献，其一是析出微细的Ti-Nb-Cr碳化物或Ti-Nb-Zr-Cr碳化物的耐热合金(CN101300371)，该合金以重量％计，包含超过0.6％且为0.9％以下的C、2.5％以下的Si、3.0％以下的Mn、20～28％的Cr、8～55％的Ni、0.01～0.8％的Ti、0.05～1.5％的Nb，余量为Fe和不可避免的杂质，且(Ti+Nb)/C的值以原子％比计为0.12～0.29，该合金适合用作氢制造用重整炉管的材料。其二是亚稳β型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金及其制备方法(CN101215655)，合金组分为：35-38wt％Nb，0-3wt％Ta，2-4wt％Zr，0.2-0.8wt％O，余量为Ti。方法为：1)采用真空自耗电弧炉熔炼方法获得成分均匀的Ti-Nb-Ta-Zr-O合金；2)将Ti-Nb-Ta-Zr-O合金铸锭，在800℃-1000℃温度范围进行热加工处理；3)经上述处理的Ti-Nb-Ta-Zr-O合金在1000℃-1200℃温度范围经固溶淬火处理后冷却，以获得单相β组织；4)在室温下对固溶态Ti-Nb-Ta-Zr-O合金进行冷加工处理，获得各种合金棒材和板材。该发明合金具有超弹性、低模量、高强度、无生物毒性、耐腐蚀、生物相容性好且易加工成型，该合金可广泛应用于生物植入体以及其它医疗器件。

上述两项专利申请与本发明专利申请相近但不相同。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种生物相容性好的无镍生物医用钛合金Ti-Nb-Zr材料，用于制作人工骨、人工关节、牙科固定器、牙科修复材料等用于人体组织修复、替代的新型医用钛合金。

本发明的另一个目的是提供钛合金Ti-Nb-Zr材料的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种无镍生物医用钛合金Ti-Nb-Zr材料，其合金成分范围以原子百分比计为：Ti-Nb(5at％～40at％)-Zr(0at％～10at％)。

而且，所述材料的性能指标分别如下：冷拔加工率：40％；弹性模量(GPa)：45-66；断裂强度(MPa)：420-480；屈服强度(MPa)：310-380；伸长率(％)：30-50；应变恢复率(％)：3-5。

一种生物医用钛合金Ti-Nb-Zr材料的其制备方法，步骤是：

(1)以钛为主要原料，以锆、铌为添加元素，按Ti-Nb(5at％～40at％)-Zr(0at％～10at％)成分配料，经真空自耗电弧炉3～4次熔化炼制出铸锭；

(2)将Ti-Nb-Zr合金铸锭加热到800℃-1000℃温度范围内保持1-2小时经热加工处理后，获得固溶态β单相Ti-Nb-Zr合金；