[发明专利]含有贵金属元素的Zr基块体非晶合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含有贵金属元素的Zr基块体非晶合金及其制备方法。

背景技术

块体非晶合金是一种新型金属材料，不同于晶态合金，其原子排列具有长程无序短程有序的结构特点，因而表现出一系列优于晶态合金的特性。其中Zr基块体非晶合金由于具有高的非晶形成能力、优异的力学性能和耐腐蚀性能以及Zr元素的高生物相容性而引起了人们对其在生物医用植入材料领域应用的广泛关注。与传统医用合金相比，Zr基块体非晶合金作为生物医用植入材料具有以下几方面的优势：首先，Zr基块体非晶合金具有低弹性模量(70～100GPa)，比医用不锈钢(约为200GPa)、钛及钛合金(约为110GPa)和Co-Cr-Mo合金(约为230GPa)等传统的生物医用植入金属材料更接近自然骨(约为20GPa)，能有效地减弱“应力遮挡”效应；其次，Zr基块体非晶合金具有高的耐磨性，能够减少磨损产物引发的“颗粒性疾病”的危险；另外，Zr基块体非晶合金具有比传统医用合金更高的比强度，能减小植入器械的尺寸，从而减少植入手术带来的生物组织创伤；另外值得一提的是，非晶合金特有的过冷液相区间超塑性成形和净成形精密加工性能，能够简化医疗器械的制造过程，降低制造成本。

生物医用植入材料在人体内服役时不可避免地会与周围组织发生摩擦磨损作用，由于磨损过快而失效以及磨损产物引起的“颗粒性疾病”一直是影响植入材料置换寿命的难题。生物医用植入材料不仅要具有优异的耐蚀性和生物相容性，在生理环境中的耐磨损性能也至关重要。金属植入材料在人体中服役时，磨损往往与腐蚀并存，发生腐蚀磨损。腐蚀磨损造成的材料流失量通常不是单纯腐蚀与单纯磨损的失重之和，腐蚀磨损过程中存在交互作用，即腐蚀加速磨损，磨损加速腐蚀，加速材料流失。传统的生物医用金属材料如316L不锈钢、Co-Cr-Mo合金及钛合金在模拟生理环境中的摩擦磨损行为中都发现了存在着腐蚀磨损交互作用。Zr基块体非晶合金在干摩擦条件下具有较低的摩擦系数和较好的耐磨性，其耐磨性优于Ti-6Al-4V合金。但是Zr基块体非晶合金在生理环境中会发生腐蚀磨损，二者的交互作用甚至会成为材料的失效的主要因素。因此，提高Zr基块体非晶合金在生理环境中的耐腐蚀磨损性能至关重要。

要提高非晶合金的耐腐蚀磨损性能，首先要提高非晶合金的硬模比(H_v/E)以提高合金的耐磨性，其次是要提高非晶合金在生理环境中的耐腐蚀性能。目前，Zr基块体非晶合金体系较多，包括三元的Zr-Al-Ni、Zr-Al-Fe、Zr-Al-Co、Zr-Al-Cu等以及在此基础上进一步添加合金元素构成的多元体系如Zr-Al-Fe-Cu、Zr-Al-Cu-Ag、Zr-Al-Ni-Ag、Zr-Al-Fe-Cu-(Ti/Nb/Ag)、Zr-Ti-Al-Cu。在上述Zr基块体非晶合金体系中大多都含有Ni和Cu元素以保证其具有足够大的非晶形成能力。但是，Ni和Cu元素在人体环境中可能以离子的形式析出，并向周围的组织扩散和渗透，引起过敏反应。特别是金属镍离子的溶出，可能导致周围生物组织的坏死，甚至诱发癌症。因此，含有Ni和Cu元素的Zr基块体非晶合金具有较高的潜在生物毒性。Zr-Al-Co系块体非晶合金不含有Ni和Cu元素，具有较高的生物相容性。同时与其他Zr基块体非晶合金体系相比，它具有更高的耐生理环境腐蚀性能，使其有希望成为新型的生物医用植入材料。

但是，三元Zr-Al-Co块体非晶合金的非晶形成能力较小，采用铜模铸造仅能够制备直径3mm的非晶合金棒材，限制了其工业应用。添加合金元素如Cu、Y、Er等元素可以提高其非晶形成能力，但是会导致其耐蚀性能明显恶化。另外，若添加耐蚀性元素如Ti、Nb、Ta等能有效提高其在生理环境中的耐腐蚀性能，但是又会导致其非晶形成能力大大降低。因此，开发能同时提高非晶形成能力和耐腐蚀磨损性能的Zr基块体非晶合金可以有力地促进其在生物医用植入材料领域中的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种含有贵金属元素的Zr基块体非晶合金。

本发明是这样实现的：一种含有贵金属元素的Zr基块体非晶合金，所述合金的通式为Zr₅₃Al₁₆Co_31-xM_x；所述M为Pd、Pt、Au中至少一种，所述x的数值为3～7。

优选地，所述x的数值为5。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种含有贵金属元素的Zr基块体非晶合金的制备方法。

本发明是这样实现的：一种含有贵金属元素的Zr基块体非晶合金的制备方法，包括以下内容：