[发明专利]一种低弹性模量、高强度的近β钛合金及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金技术领域，具体地说是一种低弹性模量、高强度的近β钛合金及制备方法，特别是涉及医疗、体育和工业应用的具有低弹性模量、高强度的Ti-Nb-Mo-Sn合金。

背景技术

与传统的不锈钢和钴基合金相比，钛及其合金具备较低的密度和弹性模量、较高的强度、比强度以及良好的生物相容性和耐蚀性，因而在医学临床上得到了越来越广泛的应用。目前用于临床医学的医用钛合金主要为α+β型Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb。与传统的不锈钢和钴基合金相比，虽然Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb较低的弹性模量(约为不锈钢和钴基合金的一半)一定程度地解决了植入材料与骨骼弹性模量差异引起的“应力屏蔽”问题，但是同骨骼弹性模量相比(约30GPa)，Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb约100GPa的弹性模量依然偏高。此外研究表明：含有Al和V的钛合金在长期植入人体后会因磨损和腐蚀释放出具有细胞毒性和神经毒性的Al和V离子，对人体造成损伤。因此，以美国和日本为代表的发达国家自上世纪九十年代就开始致力于具有更好生物相容性的β型医用钛合金的开发，如Ti-13Nb-13Zr、Ti-15Mo、Ti-35Nb-5Ta-7Zr、Ti-12Nb-6Zr-2Fe、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr、Ti-15Nb-4Sn-2Ta等合金。以上合金均为低模量、高强度的医用钛合金，主要应用于生物植入材料，如人工骨、骨关节和骨板。新型β型医用钛合金尽管一定程度地解决了α+β型钛合金作为植入材料存在的问题，但仍然存在不足之处：(1)上述合金弹性模量在固溶条件下大于60GPa，时效处理后弹性模量约在90GPa左右，且在特定处理状态下不能同时满足低模量、高强度的要求；(2)不少合金中含有难熔金属钽，使得铸锭冶金质量不易控制，相应的制备成本增加。

对于以Ti-Nb为基不含难熔金属Ta的钛合金，目前已有多个与低模量或高强度相关的专利申请，对二元Ti-Nb(美国专利号：5,545,227；5,573,401；5,169,597；5,169,597)、三元Ti-Nb-Zr(美国专利号：5,169,597)、四元Ti-Nb-Zr-Sn(美国专利号：10/582233)、Ti-Nb-Mo-Zr(申请号：03153138.5，美国专利号：5,871,595)、五元Ti-Nb-Mo-Zr-Sn(申请号：03153139.3)要求专利保护。以上以Ti-Nb为基不含难熔金属Ta的钛合金均为低模量或高强度医用钛合金。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种低弹模、高强度的近β钛合金，化学成分为：

重量百分比15～35％的铌，

重量百分比1～8％的钼，

重量百分比1～8％的锡，

重量百分比0～1.2％的二氧化钛粉末，

作为余量的钛(和/或作为痕量的杂质元素)。

根据本发明的一个进一步的方面，提供了一种近β钛合金的制备方法，其特征在于包括：

将高纯度的钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)、锡(Sn)金属和二氧化钛(TiO₂)粉末如下配比：重量百分比15～35％的铌、1～8％的钼、1～8％的锡、0～1.2％的二氧化钛粉末、余下为钛，

将配好的原料置于磁搅拌真空非自耗电弧炉中，在惰性气体保护气氛条件下反复翻转熔炼多次，凝固后形成锭子；

将锭子热锻至预定厚度；

将热锻后的锭子进行均匀化退火；

将锭子冷轧或热轧至所需厚度；

固溶处理步骤，将冷轧或热轧后的板材封于石英管中，对石英管进行抽真空处理后将石英管密封，将密封后的石英管放入热处理炉子加热升温至600℃～900℃的温度区间内保温1～12小时后将石英管取出，击碎石英管将板材直接空冷也可将板材落入水中水冷。

附图说明

图1为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金700℃×1h水淬X射线衍射谱。

图2为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金冷轧态X射线衍射谱。

图3为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金450℃×1.5h退火态X射线衍射谱。

图4为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金700℃×1h水淬后拉伸应力-应变曲线。

图5为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金冷轧态拉伸应力-应变曲线。

图6为Ti-25Nb-2Mo-4Sn合金450℃×1.5h退火态拉伸应力-应变曲线。