[发明专利]一种Ti-Mg合金材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及合金材料领域，尤其涉及一种Ti-Mg合金材料及其制备方法和应用。

背景技术

医用钛合金的应用最早可以追溯到20世纪40年代，Both和Leventhal进行了动物实验研究，证实纯钛有良好的组织相容性。20世纪70年代，纯钛和钛合金开始被大量用于制备人工关节、人工骨等替换材料。从20世纪70年代后期开始，Ti-6Al-4V合金凭借其高强度、低弹性模量、优异的耐腐蚀性能和耐摩擦性能在人工关节修复领域得到更多应用。为了避免钒对人体的毒性，欧洲研究者在80年代中期开发了两种无钒的α+β型Ti-5Al-2.5Fe合金和Ti-6Al-7Nb合金，即第二代医用钛合金。这两种合金由于不含钒而具有更好的生物相容性，但它们仍含有毒性元素Al，而且它们的弹性模量比人体骨大得多，容易产生“应力屏蔽效应”，导致植入失败。具有更低模量且有较高强度和耐磨性的β钛合金成为医用钛合金的主要研究方向。β钛合金主要靠添加β相稳定元素，生成β相来降低合金的弹性模量。大量研究发现，Mo、Nb、Ta和Zr元素具有较好的生物相容性和生物安全性，以Ti-Mo，Ti-Nb，Ti-Ta和Ti-Zr为基体的β钛合金凭借优良的性能成为研究的重点。但是Mo、Nb、Ta和Zr等金属的价格昂贵，成本较高，且这些钛合金的弹性模量仍比人骨的弹性模量要高，因此研究Ti-Mg合金为降低钛合金成本和弹性模量提供了方向。

纯镁的密度为1.738g/cm³，镁合金的密度为1.75～1.85g/cm³，都非常接近于人体密质骨的密度（1.75g/cm³）。镁合金具有许多传统生物医用材料所不具备的优点：镁合金的弹性模量接近于人骨的弹性模量；镁合金生物相容性优良；镁对于人体是完全无毒的。人体本身就含有大量的镁离子，研究表明平均每70kg重的人体中含有大约35g的镁，且人体每天需要摄入375mg的镁。与医用陶瓷材料相比，镁合金具有良好的力学强度和高断裂韧性，更适合于作为硬组织植入材料。生物医用镁合金凭借其良的生物相容性和生物活性在骨科内置物、骨组织工程支架、心血管支架、外科手术和牙科种植材料领域得到了一定的应用。虽然镁及其合金作为生物材料的研究已经有将近两个世纪的历史，其在生物材料领域也显示了广阔的应用前景，但是生物医用镁合金的研究还处于起步阶段，其从基础研究到临床应用仍需要进一步的探究。大量研究表明，降解速率过快已经成为限制镁合金在生物材料领域应用的最主要原因。

据报道，已有很多研究人员通过各种不同的方法将抗腐蚀性能优良的Ti元素加入到镁合金中去，从而制备出抗腐蚀性能得到改善的Mg-Ti二元合金。然而，作为一种新型的合金材料，人们尚未完全认识到钛镁系合金众多的性能和特点，目前大部分研究者主要就其储氢性能和光电性能展开研究。

用机械合金化的方法制备Ti-Mg合金，是以钛粉和镁粉为原材料，混合成一定比例的混合料，与相应比例的磨球一同装入球磨罐中，放入高能球磨机中进行球磨。在高速运转过程中，混合粉会与球磨罐中的磨球发生激烈碰撞和摩擦，从而使得两种金属粉末在强力作用下结合起来，形成合金，该合金即为固溶体。由于机械合金化能够起到扩展固溶度的作用，可以大大提高Mg在Ti中的固溶度，使其固溶度从0.3at.%扩展到6at.%。各种实验研究表明，机械合金化的确能够提高Mg在Ti中的固溶度。此外，用机械合金化方法制备出的钛镁合金具有良好的储氢性能，被广泛应用于汽车制造等领域，能够有效降低车辆的能源消耗。

放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）是一种低温、快速、节能和环保的新材料制备技术，它将等离子活化、加压和烧结融为一体，在粉末颗粒之间通以高频或直流的脉冲电流来加热粉末并同时施加压力，从而实现烧结致密化。在20世纪70年代中期以前，很少有关于放电等离子烧结的报道。直到80年代前后，SPS技术才开始推广应用。1988年，第一台工业型放电等离子烧结设备在日本诞生，并迅速在新材料制备上得到推广。由于SPS技术拥有低温、快速和高致密度等优势，现在国外许多科研院所和高等院校相继配备了SPS设备，并利用SPS设备进行新材料的研发。

现有技术有利用机械合金化和放电等离子烧结的方法制备其他合金，但球磨是一个复杂的体系，不同元素合金需要用到的工艺参数各不相同，这些工艺参数需要通过大量的实验进行探索才能得出。而且到目前为止，国内外尚未发现关于利用机械合金化和放电等离子烧结制备新型生物医用材料Ti-Mg合金研究的报道。此外，关于钛镁系材料应用于生物材料领域也报道较少。