[发明专利]一种Ti基Ti-Fe-Y生物医用合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Ti基Ti-Fe-Y生物医用合金及其制备方法，是一种具有优良力学性能、生物相容性和成形性的Ti基Ti-Fe-Y生物医学合金，属于新材料领域。

背景技术

激光快速成形是在激光熔覆技术和快速原型技术基础上发展起来的一种先进制造技术。它是基于“离散+堆积”的成形思想，在金属零件CAD三维实体模型切片数据驱动下,通过金属材料的逐层激光熔覆沉积，在无需任何专用模具条件下直接快速制造出具有快速凝固组织特征的高性能复杂结构金属零件。利用该技术能够实现人造肢体和医用种植体的个性化设计与制造，并具有高柔性、短周期、低成本、成形与组织性能控制一体化等诸多优点，在现代生物医学工程领域具有重大的应用价值。目前，国内外用于激光快速成形的生物医用材料均是以传统的合金材料为主，研究结果显示，一些相关的性能指标尚不能满足临床和激光快速成形工艺的实际要求。因此，研发适用于激光快速成形的生物医用材料，是这项技术在生物医学工程领域应用和发展的必要前提和基础。

钛合金是目前广泛应用于生物医学领域的合金体系之一，也是目前激光快速成形领域研究比较深入的一类合金。其中最具代表性的材料为Ti-6Al-4V合金，由于该合金含有生物毒性元素V，长期植入体内将会聚集在骨、肝、肾、脾等器官，易诱发癌症，其未来应用将受到极大限制。而后续发展的Ti-5A1-2.5Fe和Ti-6A1-7Nb两种α+β型医用钛合金，虽然以Nb和Fe取代了毒性元素V，但A1元素的存在会引起骨质溶解和神经紊乱，且合金的弹性模量仍为骨弹性模量的4-10倍。这种种植体与骨骼之间弹性模量的不匹配，将使载荷不能很好地由种植体传递到相邻骨组织，出现“应力屏蔽”现象，从而导致种植体周围骨组织功能退化或吸收，最终引起种植体松动或断裂。为此，国内外学者相继开展了生物相容性更好、弹性模量更低新型β钛合金的研究。具有代表性的新型β钛合金主要有Ti-Mo、Ti-Nb、Ti-Zr和Ti-Sn基的多元合金体系。由于β钛合金的强化主要是以固溶强化机制为主，强度较低，耐磨性较差；尤为重要的是，由于β型固溶体的凝固温度范围较宽，合金的流动性差，在非平衡凝固条件下极易产生枝晶偏析，成形精度和质量低，难以满足激光快速成形的实际要求。鉴于此，研发具有优异的生物学和力学性能，并具有良好快速成形特性的钛合金是目前急待解决的关键问题之一。

前已指出，作为激光快速成形钛合金医用材料，不仅应具备良好的生物学及力学性能外，还应从激光快速成形的工艺特点出发，使合金具有良好的液态流动性、脱氧性和低的成分偏析性等性质，以适应高质量激光快速成形性的要求。因此，合金成分体系的选取显得至关重要。众所周知，共晶合金体系因其凝固温度较低、凝固区间窄而具有优异的液态流动性，加之共晶成分液体可达到较大的过冷度，有利于降低合金成分偏析程度。最近研究表明，Ti-Fe二元共晶合金具有很好的流动性和低的成分偏析性，综合力学性能良好，且合金中不含毒性元素，具有良好的生物相容性，将有望成为激光快速成形医用合金材料。

尽管Ti-Fe共晶合金具有上述优点，但该合金体系仍存在以下两点不足：一是易于氧化。在激光快速成形过程中，尽管采用严格保护措施，但因原始粉末颗粒表面氧的吸附，易诱发Ti₄Fe₂O脆性相的形成，使合金的综合力学性能降低；二是弹性模量远高于骨的弹性模量，与临床要求差距较大。因此，如何有效改善合金的脱氧性和降低弹性模量，是决定该合金体系能否作为激光快速成形用生物医学材料的关键所在。

弹性模量是一个决定于原子间结合力的力学性能指标。为有效降低Ti-Fe系合金的弹性模量，需从选择合金的原子特性考虑，以低弹性模量、无生物毒性元素为优先选择原则之一，通过合金成分的优化设计，以此调整组元间的结合状态，进而达到降低合金弹性模量的目的；与此同时，为改善和提高合金的脱氧性，合金元素尚需具备良好的净化液相成分的能力。基于上述因素考虑，因无生物毒性元素钇同时具备上述特性，其弹性模量为64GPa，低于钛和铁的弹性模量(116和211GPa)，且与氧之间的化学亲和力高于钛、铁与氧之间的化学亲和力(三者与氧的电负性差分别为2.22、1.90和1.61)，具有良好的脱氧性，是理想的合金化元素之一。但问题是如何实现合金元素的优化设计，以达到有效改善合金的脱氧性和降低弹性模量的目的。

发明内容

本发明克服了现有Ti-Fe二元共晶合金两点不足，即高的亲氧性和高的弹性模量，提供具有优异力学性能、生物相容性和成形性的Ti-Fe-Y三元合金的形成范围和最佳成分。