[发明专利]一种Ti-Ta合金及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种Ti-Ta合金及其制备方法和应用，属于粉末冶金制备技术领域。

技术背景

在人工生物医用植入金属材料中，钛合金因其良好的力学性能(高比强度、低弹性模量)，优异的生物相容性，以及抗腐蚀、耐磨损等性能，成为人造关节、骨创伤产品、脊柱矫形内固定系统的首选。然而，传统的医用钛合金主要面临以下几个问题：

①毒性。常见植入钛合金如Ti-6Al-4V，Ti-6Al-7Nb等材料中含有Al，V等元素，都被证明是对人体有害的元素，在长期使用过程中会不可避免渗入到周边组织，对植入者健康产生潜在威胁。

②弹性模量过高。人体骨骼弹性模量较低(10～40GPa)，而通用植入钛及钛合金一般为α或α+β型，一般具有较高的模量，作为植入体会产生应力屏蔽作用，导致其与植入组织不能产生较好的力学融合，造成植入失败。

③强度低。植入钛合金在人体复杂的生物环境中经历长期的应力作用，过低的强度容易导致材料发生断裂、失效，造成植入失败。

为了克服元素的毒性，目前国际上研发集中在无毒、无过敏性元素的生物医用钛合金体系，添加Nb，Ta，Zr，Sn，Mo等作为合金元素。这些元素已被证明不含毒性，同时有助于钛合金中β相的形成。β相能够降低弹性模量，同时增强耐磨性以及抗腐蚀性能。除了通过生成β相降低弹性模量，研究发现，多孔材料也能够有效降低弹性模量。粉末冶金方法制备钛合金因具有适当孔隙，能使材料的弹性模量下降，而受到研究者的广泛关注。尽管孔隙度增高能够大幅降低钛合金的弹性模量，但过高的孔隙度又会降低材料的强度而导致植入失败。如何平衡弹性模量与强度又成为新的难题，开发低弹性模量、高强度且生物相容性好的植入β型钛合金体系成为当今研究的热点。

在众多β相添加元素中，Ta元素是公认的生物相容性最好、抗腐蚀能力最强的添加元素。zhou等人开发了Ti-Ta系列的β型医用钛合金(Zhou Y L,Niinomi M,Akahori T.Effects of Ta content on Young’s modulus and tensile properties of binary Ti–Ta alloys for biomedical applications[J].Materials Science and Engineering:A,2004,371(1):283-290.)。其选取成分Ti-10,20,30,40,50,60,70,80(wt.％)Ta，最终产品为晶粒尺寸在50-60μm、无孔隙存在的均匀合金体。经测试其弹性模量相对较低(70-100GPa)，抗拉强度在400-700MPa之间。但由于Ta元素熔点较高，因此制备该合金需要在较高的温度(3000℃以上)对母合金进行熔炼，同时为了获得较好的组织与力学性能，需在熔炼后进行均匀化退火、轧制等加工，这些苛刻条件和复杂工序限制了其在工业化大批量生产。

中国发明专利(CN 102146534 A)公布了一种Ti-Nb-Ta-Zr近β型医用钛合金的制备方法，通过该方法制备出的钛合金晶粒尺寸在20-30μm，无孔隙存在，具有较低弹性模量(42-65GPa)，抗拉强度有所提高(590-971MPa)，但由于添加元素种类过多，成分控制困难，为了保证难熔Ta元素的均匀化，需选用Nb-Ta中间合金提供Ta元素，之后需经过多次熔炼-热处理-轧制-热处理等一系列复杂加工程序，难度大，成本极高。

中国发明专利(CN 101418392 A)公布了一种生物多孔钛的制备方法。该方法采用粉末冶金工艺，通过添加造孔剂获得多孔钛合金，产品孔隙度在60～70％之间，弹性模量大于0.3GPa，但抗拉强度仅为40MPa左右，并不能满足实际应用中对材料强度的要求。

由上可知，制备一种弹性模量低、强度较高、生物相容性好、同时成本低廉能够实现大规模生产和应用的钛合金显得十分重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足而提供一种工艺简单，成分设计合理，烧结后得到弹性模量低、抗拉强度高、生物相容性好的粉末冶金医用Ti-Ta合金。

本发明一种Ti-Ta合金，以原子百分比计包括：

Ti 50-80％；

Ta 20-50％；

所述Ti-Ta合金的孔隙率为2.0-15.5％，优选为3.0-8.9％，进一步优选为4.7-5.6％；

所述Ti-Ta合金含有富Ta区和富Ti区，富Ta区与富Ti区交替分布，相邻的富Ta区与富Ti区之间存在过渡区。

本发明一种Ti-Ta合金，