[发明专利]Ti基Ti-Fe-Zr-Sn-Y生物医用合金及其制备方法

说明书

本发明提供了一种Ti基Ti‑Fe‑Zr‑Sn‑Y生物医用合金及其制备方法，属于新材料技术领域。制备工艺步骤特征是：配料、母合金非自耗电弧熔炼、球磨和激光增材制造，激光线能量密度1.5‑3.0kW/mm，扫描速度0.35‑0.65m/min，送粉率2.0‑6.0g/min，搭接率35％，送粉气体流量4.75liters/min，保护气体流量7.5liters/min。优点：元素Zr、Sn、Y在Ti‑Fe成分中的加入，提高合金的强度、韧性、耐磨性和耐蚀性能，降低合金的弹性模量，保持合金优异的成形性，合金无细胞毒性、具有促进钙质沉积的能力、可促进L‑929细胞的早期贴附且有利于细胞的增殖。

技术领域

本发明涉及到一种具有优良力学性能、生物相容性和成形性的Ti基Ti-Fe-Zr-Sn-Y生物医用合金，属于新材料技术领域。

背景技术

激光增材制造是一种由高功率激光熔覆技术与快速原型技术结合而成的新型制造技术，可直接用零件三维数学模型，通过激光逐层熔化、沉积金属粉末材料，一步完成高性能复杂零件的成形制造，具有高柔性、短周期、低成本等诸多优点。在医学领域，利用该技术能够实现个性化的医用种植体、组织支架以及可视化三维医疗模型的制造，因而具有重大的应用价值。

当前，国内外用于激光增材制造的生物医用材料均以传统合金材料为主，研究结果表明，某些相关的性能指标尚不能满足临床和激光增材制造工艺的要求。因此，材料成分设计成为激光增材制造的关键所在，研发出适用于激光增材制造的生物医用材料，是该技术在生物医学领域应用和发展的前提和基础。

钛合金由于具有优异的抗腐蚀性、良好的生物相容性、低密度和高比强度等特点而被广泛应用于生物医学方面，特别是骨植入和牙修复领域，该合金也是目前激光增材制造领域研究比较深入的一类合金。其中最具代表性的钛合金为Ti-6Al-4V合金，其在医用领域表现出良好的机械性能和耐蚀性，但由于该合金含有生物毒性元素V和Al，对人体有潜在的毒性；另外，该合金的弹性模量较高，易出现“应力屏蔽”现象，最终导致种植体松动或断裂。而后续发展的以Nb和Fe取代了毒性元素V的α+β型钛合金Ti-5A1-2.5Fe及Ti-6A1-7Nb，由于合金中含有元素A1，长期存在于生物体内，会在生物体内积累而损伤器官，且合金的弹性模量为骨的4-10倍，弹性模量的不匹配，易产生应力集中和骨吸收不良等后果。因此，国内外学者研制开发了不含Al、V的低弹性模量的新型生物医用β型钛合金，如Ti-13Nb-13Zr、Ti-12Mo-6Zr-2Fe等，该合金不含生物毒性元素，且弹性模量更接近骨的弹性模量。但是，由于β型钛合金是以固溶强化为主，强度较低，耐磨性不理想；另外，β型固溶体的凝固温度范围相对较宽，熔体的流动性较差，在快的冷却条件下极易产生枝晶偏析，成形精度和质量难以保证，因而难以满足激光快速成形的实际要求。因此，研发具有优异的生物学和力学性能，并具有良好激光增材制造性能的钛合金是急待解决的关键问题之一

如前所述，理想的激光增材制造钛合金医用材料，除需具备优异的生物学、力学性能、液态流动性，还应具有抗氧化性和低的成分偏析性。因此，合金成分体系的选取至关重要。众所周知，共晶合金体系凝固温度较低、液态流动性好、共晶成分液体可达到较大的过冷度，有利于降低合金成分偏析程度。近期有研究表明，Ti-Fe二元共晶合金除具有良好的综合力学性能外，还具有良好的流动性及低的成分偏析性，且合金中无毒性元素，具有良好的生物相容性，具有成为激光快速成形医用合金材料的潜力。

尽管Ti-Fe共晶合金具有上述优点，但该合金体系的弹性模量仍远高于骨的弹性模量，难以满足临床要求。另外，在激光增材制造过程中，虽然采取严格保护措施，但因原始粉末颗粒中氧的吸附，易形成脆性Ti₄Fe₂O氧化物。如何有效改善合金的脱氧性并降低弹性模量，是该合金能否作为激光增材制造医用材料的关键所在。