[发明专利]一种低弹性模量、高强度的调幅分解型Zr-Nb-Ti合金材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种低弹性模量、高强度的调幅分解型Zr‑Nb‑Ti合金材料及其制备方法。所述Zr‑Nb‑Ti合金材料其成份按原子百分比计如下:Ti：20～50％；Nb：15～45％；余量为Zr。其制备方法为：按设计比例配取钛源、铌源、锆源；多次熔炼获得锆合金铸锭，将锆合金铸锭进行吸铸得到锆合金棒材，将锆合金棒材依次进行固溶处理、时效处理即获得Zr‑Nb‑Ti合金材料，本发明所得锆合金材料具有更高的强度和低的弹性模量，其中，强度最高可达1130.8±8.5MPa，而弹性模量保持在40～50GPa之间，接近人体的弹性模量。

技术领域

本发明属于医用锆合金技术领域，具体涉及一种低弹性模量、高强度的调幅分解型Zr-Nb-Ti合金材料及其制备方法。

技术背景

近年来，随着社会的发展和人类生活水平的提高，人们对于安全、可靠的生物移植材料的需求日益增加，因此广大的科研工作者对于可植入的生物硬组织材料进行了深入的研究。要开发人体植入体合金，首先要求该合金具有优异的生物相容性。现如今被应用于生物医用金属材料的生物相容性合金元素主要有Ti、Zr、Nb、Ta、Mo、Sn、Mg、Zn等。其次，该类合金需要具有高强度和优异的耐蚀性。在此基础上，该合金还需要具有较低的弹性模量以此才能够和人体骨骼的弹性模量(15～30GPa)相匹配。如果植入体的弹性模量过高，将造成“应力屏蔽效应”，从而导致植入体过早失效或者断裂，最终对人体健康产生严重的影响。因此，植入体合金材料力学性能不匹配是一个亟待解决的问题。

由此可见，安全、可靠的人体移植金属材料的设计与开发，必须基于良好的生物相容性和生物力学相容性。而要使合金具有良好的生物力学相容性，合金要具备高强度和低的弹性模量，即较高的δ(δ＝σ_ys/E)值。目前，实现这一目的主要有两种途径：第一，降低弹性模量。国内外学者通过合金成分优化，设计并制备出低弹性模量合金。此外，降低合金弹性模量的另外一个有效途径是在合金中引入孔结构，制备出多孔合金。如专利(CN 109847110A)的提供了一种多孔Ti-Nb-Zr复合人造骨植入材料及其制备方法和应用，通过大量孔洞的引入，可显著地降低合金弹性模量，但同时也大幅度降低了合金的强度。而对于致密合金材料，提高合金强度的方法主要是通过形变热处理来细化晶粒或析出细小的第二相，达到细晶强化或第二相强化的目的。但是在合金热处理时会析出高弹性模量相，比如α相和ω相，致使合金表现出高弹性模量。因此，如何解决高强度和低弹性模量这一矛盾成为该研究领域的一个热点问题。

调幅分解是指固溶体在无限/非局域内由于无限小的成分起伏失稳或者分解成为成分不同、结构相同两相的一种匀相转变。从热力学来看，其Gibbs自由能随成分变化的二阶导数为负数时，在合金系中产生相分离。与传统的相变相比，发生调幅分解时，不形核，快速形成细小的成分不同、结构相同的两个相。调幅分解独特的相变方式，使其与传统的形核长大沉淀强化方式相比，具有很多优异的性能。调幅结构组织均匀，合金的耐蚀性能较高，在正常的时效过程中不会产生过时效或晶粒长大；调幅分解过程中不发生位错的过分堆积，可降低裂纹生成的敏感性并延缓裂纹的扩展。因此，它已成为一些工程材料强韧化处理的有效手段。更重要的是成分差异不大、结构相同的调幅结构，可保证合金的低弹性模量，且强度显著提高。

发明内容

针对现有技术中锆合金无法同时实现低弹性模量和高强度的问题，本发明的目的在于提供一种低弹性模量、高强度的调幅分解型Zr-Nb-Ti合金材料及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。本发明一种低弹性模量、高强度的调幅分解型Zr-Nb-Ti合金材料，其成份按原子百分比计如下:Ti：20～50％；Nb：15～45％；余量为Zr。

针对目前的锆合金无法同时实现低弹性模量和高强度的问题，本发明提供了一种调幅分解型锆合金：Zr-Nb-Ti合金材料，该合金在上述成份范围内存在调幅分解的区域；而调幅分解不需要形核，而是快速形成细小的组织均匀且晶体结构相同、成分不同的两个相。因此，合金可以在提高合金强度的同时，保证低的弹性模量。