[发明专利]显示线性弹性变形行为的具有超高强度及超低弹性模量的钛合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种显示线性弹性变形行为的具有超高强度及超低弹性模量的钛合金，该钛合金为是β系结构。与具有相似性质和应用的传统钛合金相比，该钛合金的强度非常高，大于1150MPa，而其弹性模量非常低，小于60GPa。

背景技术

钛合金是典型的轻金属。它由于具有很高的强度及卓越的耐蚀性而被广泛应用，例如用于宇宙航空工业、化学工程领域、体内移植材料及体育设备等。基于其具有其他材质所不易获得的特性，这种钛合金已知是在各个产业领域创造出极大的附加价值的材料。

用作体内植入物的传统钛合金与骨骼之间的弹性模量差异很大。这样大的差异经常引起骨骼应力屏蔽(stress shielding)，其是应用于具有相对较低弹性模量的骨结构的较小应力。这就使人体系统认知到应力较小的骨组织是不必要的部分，导致坏骨细胞活性化，使骨组织溶解。

对此，开发出使这种骨骼应力屏蔽现象最小化的用于体内植入物材料的低弹性模量钛合金是非常必要的。尤其是对于整形外科装置的植入物，不仅要求具有低弹性模量及高强度，还要求其具有提供良好成型性的超弹性和超塑性，因为它们的铸造形状非常复杂。因此，满足这种需要的钛合金的开发迫在眉睫。这种高强度低弹性模量并具有超弹性超塑性的钛合金除了用于体内植入物以外，还可以用于航空宇宙、发电等产业领域和生活用品和其他工业部分。其还可以用作在腐蚀及其他特殊环境中的注塑材料。不锈钢(例如316L型不锈钢)和钴合金已经被用作体内植入物材料。但是在人体内植入这种合金时，产生如下问题：首先，由于体内腐蚀，金属离子释放到血液并沿着血管散布到人体全身，诱发各种疾病；其次，将没有生物活性的金属构成的植入物插入人体内时，经过植入后的一段时间后，它们易与移植部位分离；最后，这种植入物的弹性模量与人体的骨骼相比较高，以致植入物周围的骨组织由于骨应力屏蔽会损坏，植入物变得松脱植入部位，因此需要重新手术。

为了解决上述问题，对于开发具有生物相容性的钛合金进行了深入研究。特别地，研究者试图获得传统纯钛金属和Ti-6Al-4V合金所不具备的超低弹性模量和超高强度的钛合金。与具有高弹性模量和高强度的现有合金相比，由于具有低弹性模量和高强度的钛合金能够改善与骨组织的相容性并且避免骨压力屏蔽，所以国内外已经进行这种钛合金的研究。

美国专利第5954724号中公开了适用于医疗植入物和装置的构建的低模量医疗用钛合金，在美国专利第7887584号中公开了包含至少一种非晶体金属合金的医疗装置。然而，上述专利都是集中开发低弹性模量的钛合金，因为现有的钛合金或其他金属的弹性模量高于骨骼。直至现在，还没有成功开发出除了具有低弹性模量之外还具有改善的机械和物理特性的钛合金。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于，提供一种显示线性弹性变形行为并具有超高强度及超低弹性模量的钛合金，其中钛合金由钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、铁(Fe)及氧(O)构成。

本发明的另一目的在于，提供一种显示线性弹性变形行为并具有超高强度及超低弹性模量的钛合金，其中所述钛合金包括：18～22原子百分比(at.％)的铌(Nb)、3～7at.％的锆(Zr)、0.5～3.0at.％的铁(Fe)、0.1～1.0重量百分比(wt.％)的氧(O)，余量为钛(Ti)。

此外，本发明的钛合金与大部分的传统钛合金的不同在于其不含高熔点金属钽(Ta)(熔点温度为3000℃)，不会出现大容量熔化及凝固时常常发生的Ta不均匀分布的问题。因此，钛合金适合于大量生产，可实现大于90％的冷却成型。

根据本发明，钛合金由钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、铁(Fe)及氧(O)构成。更具体地，钛合金包括18～22at.％的铌(Nb)、3～7at.％的锆(Zr)、0.5～3.0at.％的铁(Fe)、0.1～1.0wt.％的氧(O)，余量为钛(Ti)。

根据本发明，钛合金的弹性模量在冷轧加工前是68GPa，冷轧加工后为60GPa，并且钛合金显示线性弹性变形行为，适合用作体内材料(或生物体内材料)。

根据本发明，钛合金的线性弹性变形的量大于1％。

根据本发明，钛合金的抗张强度在冷轧加工前为大于900MPa，在冷轧加工后为大于1150MPa，在冷轧加工前的延伸率为大于18％，在冷轧加工后的延伸率为大于8％。

由于本发明的钛合金具有低弹性模量、高强度、超弹性和超塑性，其可以用于各种领域，包括航空宇宙、发电、生活用品和其他工业领域，以及体内植入物。其还可以用作在腐蚀及其他特殊环境中使用的注塑材料。