[发明专利]一种生物医用前过渡族金属高熵合金

说明书

技术领域

本发明涉及在化学成分上多组元且近等原子比或等原子比特征的高熵合金，特别提供了一类可通过真空非自耗电弧熔炼技术制备的前过渡族金属高熵合金。

背景技术

传统的固溶体型合金在化学成分上以某一种金属元素作为主元素基质，根据对性能的要求添加适量合金元素，形成间隙或置换固溶体相来获得优化的综合性能。合金的物理、化学、力学性能和生物相容性主要取决于基质元素的性质。合金成分处于热力学平衡相图的端际，可伴有少量金属间化合物相的形成。

“高熵合金”主要指合金的组态熵较大，通常在合金设计上选择化学性质和原子尺寸相近的元素、由至少五种组元按照等原子比或近等原子比的化学计量组成。合金在相选择上形成晶体结构为面心立方(fcc)或者体心立方(bcc)的固溶体结构。目前的研究显示，这类合金在性能上具有以下特点：(一)高强度、高硬度。例如WNbMoTaV五元合金的屈服强度和维氏硬度分别为1250MPa和5.3GPa。(二)高断裂韧性。如CrMnFeCoNi五元合金的断裂韧性达到220MPa·m^1/2，超过普通的不锈钢和钛合金。(三)耐腐蚀性能良好。如FeCoCrNi四元合金在3.5％NaCl溶液中的腐蚀电位与304L不锈钢相当，其发生点蚀的电位更高，而腐蚀电流密度可降低约一个数量 级。Cu_0.5NiAlCoCrFeSi七元合金在H₂SO₄水溶液中的耐蚀性优于304不锈钢，而在含Cl^-环境中的耐蚀性不如304不锈钢。(四)耐磨损和抗氧化。CuCoNiCrAl_0.5FeB_x合金在相同工况下的耐磨性优于316不锈钢、Co基合金、SUJ2轴承钢及SKD61热作模具钢。AlSiTiCrFeCoNiMo_0.5合金表现出优于SUJ2轴承钢、SKD61热作模具钢的耐磨性的同时具有优异的抗高温氧化性。

多组元的“高熵合金”通常可采用真空电弧熔炼制备。对于含低熔点、易挥发组元的合金体系，通常采用电阻加热或感应加热熔炼。还可以采用热喷涂技术制备“高熵合金”涂层等。

“高熵合金”的高强度、高韧性、耐磨损等优异性能，有望满足航空、化工、微电子等领域某些结构件或者表面涂层应用的需求，同时也具有良好的生物医用潜能。

生物医用硬组织修复与替代，特别是关节假体置换，要求材料具有高强度、优异的耐磨损性能和生物相容性。目前临床上普遍采用的不锈钢、钛合金和钴铬钼合金无法完全满足所有的性能要求，如不锈钢发生点蚀、钛合金耐磨损性差、钴铬钼合金的毒性金属离子释放等限制了其进一步应用。

本发明主要针对可用于人体内植入的生物医疗器械零部件的需求，提供一类新型“高熵合金”，具有高强度、耐腐蚀和生物相容性良好等特点。

发明内容

本发明提供了一类以钛、锆、铌、钽、钼等前过渡族金属元素为组元 而制备的多组元“高熵合金”，具有体心立方的晶体结构以及高强度、高硬度、耐腐蚀、生物相容性良好等特点，适合作为生物医用硬组织修复与替代材料使用。

本发明具体提供了一种新型生物医用前过渡族金属高熵合金，其特征在于：所述合金以前过渡族金属元素Ti、Zr、Nb、Ta为组元，其成分化学表达式为：Ti_aZr_bNb_cTa_d，其中a、b、c、d表示原子含量百分比，且a＝20-30,b＝20-30,c＝20-30,d＝20-30,a+b+c+d＝100。在该化学成分范围内可进一步优化出综合力学性能良好和耐含氯离子溶液环境腐蚀的合金成分。

本发明所述前过渡族金属高熵合金，其特征在于：所述合金以前过渡族金属元素Ti、Zr、Nb、Ta、Mo为组元，其成分化学表达式为：Ti_aZr_bNb_cTa_dMo_e，其中a、b、c、d、e表示原子含量百分比，且a＝19.6-25,b＝19.6-25,c＝19.6-25,d＝19.6-25,e＝0.5-20，a+b+c+d+e＝100。