[发明专利]一种直接用于3D打印的高强度低模量β钛合金原料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种直接用于3D打印的高强度低模量β钛合金原料及其制备方法和应用，属于3D打印材料设计技术领域。

背景技术

随着经济社会的快速发展和人民生活水平的不断提高，以及人们对自身医疗健康的日益重视，全球生物医用材料产业正在持续增长。钛合金作为新一代的生物植入体材料，在生物医用材料产业中占有重要的地位。与传统的植入体材料如钴基合金和不锈钢相比，钛合金具有许多与生物学相关的优点：密度小、比强度高，抗疲劳性能好，导热性低、可有效避免冷热剌激作用，优异的耐蚀性能和生物相容性。目前钛合金已成为人工关节、齿科植入体、人工心脏瓣膜及介入性心血管支架等医用内植入产品的首选材料。

目前在生物医用领域广泛使用的钛合金以纯钛和Ti-6Al-4V为代表，但是纯钛的强度较低，耐磨损性能较差，而Ti-6Al-4V合金含有具有潜在毒性的Al和V元素，尤其是V元素被认为对生物体的毒性较大。此外，这两种钛合金由于弹性模量较高使得载荷不能由种植体很好地传递到相邻骨组织，出现“应力屏蔽”现象，从而导致种植体周围出现骨吸收，引起种植体松动而造成植入失败。因此，国内外的研究人员都在研究如何保持钛合金高强度的同时，降低钛合金的弹性模量。低模量高强度钛合金的开发已经成为了生物医学材料领域的研究热点。

另一方面，医疗市场对个性化和定制化的植入体产品的需求量越来越大。由于人体的差异性和骨缺损部位形态的随机性，定型的植入体常常不能满足不同患者的要求。如肿瘤患者、畸形患者、翻修患者等骨缺损的特点都不一样，不同的患者必须采用个性化治疗手段，量身定做植入体。然而，钛合金因为导热系数低和化学亲和力强的特点在熔炼铸造以及热加工过程中极易吸氧和吸氮而导致性能急剧下降。因此，利用传统的机械加工方法难以获得复杂结构的钛合金构件。高昂的模具成本使得制备钛合金个性化定制化医用植入体的成本也更加高昂。近十年快速发展的增材制造技术(电子束熔融或选区激光熔融)成为了解决个性化和定制化钛合金医疗产品的最佳解决方案，受到国内外学者的广泛关注。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种直接用于3D打印的高强度低模量β钛合金原料及其制备方法和应用。

本发明一种直接用于3D打印的高强度低模量β钛合金原料；所述钛合金原料以质量百分比计包括下述组分：

Nb 30～45％、优选为32～40％、进一步优选为33～36％；

Sn 0.01～10％、优选为2～8％、进一步优选为4～6％；

O 大于0且小于等于3％、优选为0.001％～3％、进一步优选为0.05％～1.5％；

Ti 余量。

本发明一种直接用于3D打印的高强度低模量β钛合金原料；钛合金原料的粒度为5～200微米、优选为15～120微米、进一步优选为15～60微米。

本发明一种直接用于3D打印的高强度低模量β钛合金原料的制备方法，包括下述方案：

方案一

按设计的钛合金原料组分，分别配取钛源、铌源、锡源、氧源，然后将配取的钛源、铌源、锡源、氧源进行球磨，得到钛合金原料；

方案2

按设计的钛合金原料组分，分别配取钛源、铌源、锡源、然后将配取的钛源、铌源、锡源、进行熔炼，熔炼后制粉得到钛合金原料；熔炼和熔炼后制粉时，控制熔液和粉料中的氧含量小于等于3％。

本发明一种直接用于3D打印的高强度低模量β钛合金原料的制备方法，所述钛源选自钛单质、钛合金中的至少一种。在工业化应用时，可以用商业钛粉作为钛源。

本发明一种直接用于3D打印的高强度低模量β钛合金原料的制备方法，所述铌源选自单质铌、铌合金中的至少一种。在工业化应用时，可以用商业铌粉作为铌源。

本发明一种直接用于3D打印的高强度低模量β钛合金原料的制备方法，所述锡源选自单质锡、锡合金中的至少一种。在工业化应用时，可以用商业锡粉作为锡源。

本发明一种直接用于3D打印的高强度低模量β钛合金原料的制备方法，可以通过在合金引入适量氧元素或者在球磨、熔炼、制粉时引入适量的氧元素作为氧源。

本发明一种直接用于3D打印的高强度低模量β钛合金原料的制备方法，方案一中，所述球磨的转速为10～500r/min、球磨时间为1～100小时、优选为10-24小孩。利用机械合金化的方法获得成分均匀的钛合金原料粉末。

本发明一种直接用于3D打印的高强度低模量β钛合金原料的应用，包括将所述钛合金原料通过3D打印制备成医用植入体。