[发明专利]一种快速筛选低弹性模量生物钛合金的方法

说明书

本发明属于材料研究方法领域，具体涉及一种快速筛选低弹性模量生物钛合金的方法。该方法首先根据相图计算结果确定BCC相钛合金中的两个端际组元成分，然后根据该成分，以纯金属为原料，依次经过熔炼、线切割、退火得到两个端际组元，再将两个端际组元固定在一起退火处理，得到扩散偶，最后对扩散偶中的BCC相进行成分梯度分析和弹性模量测试，即得到钛合金成分与弹性模量的对应关系，从而确定低弹性模量生物钛合金的组成。该筛选方法易于实现、高效快捷，较传统研究方法可极大节约研发、人力和时间成本。在短时间内获得大量近似连续的相组成‑合金成分‑弹性模量对应实验数据信息，有助于对于BCC相钛合金体系进行全面、系统的认识。

技术领域

本发明属于材料研究方法领域，具体涉及一种快速筛选低弹性模量生物钛合金的方法。

背景技术

生物钛合金是非常重要的工业材料，由于其较低的弹性模量和良好的生物相容性，被作为人体硬组织植入材料广泛应用于临床医疗中。考虑到对人体的无毒性，生物钛合金中主要的添加元素包括Cr、Fe、Hf、Mn、Mo、Nb、Sn、Ta、W和Zr等，含有以上添加元素的钛合金经过固溶处理后形成BCC相钛合金。目前，Ti-Nb基、Ti-Zr基、Ti-Nb-Zr基、Ti-Nb-Ta-Zr基和Ti-Nb-Zr-Sn基合金是低弹性模量生物钛合金研发的主要合金体系，而Ti-Cr基、Ti-Fe基和Ti-Mn基合金则是低成本生物钛合金的相关合金体系。相较于传统的纯Ti和Ti-Al-V合金而言，这些BCC相钛合金的生物相容性更好，弹性模量更低，具有较大替代传统临床生物金属材料的潜力。

在不同BCC相钛合金体系中，确定最低弹性模量对应的合金成分是十分重要的研究工作。传统的合金开发主要是逐一对单一成分样品进行材料性能测试，再进行对比分析，从而遴选出所测样品中性能最优的合金。该方法一方面需要耗费大量的人力物力进行大批量的实验，且难以保证实验结论的严谨性，另一方面，由于实验点的有限性，使研究者对于BCC相钛合金体系缺乏全面、系统的认识，进而导致相关基础理论研究和产品研发陷入瓶颈。因此，高效快捷地获取BCC相钛合金的合金成分和弹性模量等实验数据，从而快速筛选出低弹性模量的生物钛合金对于新型高性能生物钛合金研发和相关机理的认识都具有重要且深远的意义。

发明内容

为克服现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种快速筛选低弹性模量生物钛合金的方法。该方法是一种可高效研究多元钛合金体系的相组成、合金成分和弹性模量的方法，可在单一样品上得到不同成分合金界面的梯度变化结合区域，从而获取多个多元钛合金体系的弹性模量数据，并最终获得弹性模量最低的钛合金成分。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种快速筛选低弹性模量生物钛合金的方法，包括以下步骤：

(1)采用相图计算的方法确定待研究扩散偶的两个端际组元成分；

(2)根据步骤(1)中确定的两个端际组元成分，以纯金属为原料进行熔炼，得到两个端际组元金属锭，然后线切割所得金属锭，得到金属锭芯部的均匀块体，清理块体表面，再密封入真空且存有海绵钛或海绵钇的容器中，进行退火处理，退火后将块体取出骤冷，对块体进行磨抛，得到扩散偶的两个端际组元；

(3)将步骤(2)中得到的两个端际组元固定在一起，密封入真空且存有海绵钛或海绵钇的容器中，进行退火处理，退火后将已经固定在一起的块体取出骤冷，得到扩散偶；

(4)对步骤(3)中得到的扩散偶进行微观组织结构分析，从而确定BCC相所在区域，对该区域进行成分梯度分析和弹性模量测试，获取钛合金BCC相合金成分-弹性模量的批量实验数据，最后依据弹性模量最低值确定相应的钛合金成分。

步骤(1)中所述的相图计算优选采用商业计算软件THERMO-CALC或Pandat。