[发明专利]一种无镍低铜锆基块体非晶合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种块体非晶合金材料，更具体地说，涉及是一种无镍低铜锆基块体非晶合金及其制备方法。

背景技术

医用金属材料是生物医用材料的一个重要分支，广泛地应用于生物植入以修复或替代受损的生物组织。目前常用的医用金属材料有：钛及钛合金、钴鉻合金、医用不锈钢等。但是，这些材料作为植入材料，尤其是骨科植入材料使用时，仍然面临着由于材料弹性模量过高引起的应力遮蔽效应，由于磨损产物引起的颗粒性疾病，由于腐蚀、疲劳引起的失效问题。锆基非晶合金具有低弹性模量、高强度、高硬度、高断裂韧性和优异的耐腐蚀性能，因而受到人们广泛的关注和研究，尤其是在结构材料和生物材料领域的应用。锆基非晶合金在模拟人体溶液中具有与传统生物材料相当的极化阻力，具有很高的耐腐蚀性与良好的生物相容性。另外，锆基非晶合金还具有高的弹性极限和较低的弹性模量，如弹性极限为2％左右(医用不锈钢仅为0.3％)，弹性模量为70～100GPa(钛及钛合金为110～125GPa，医用316L不锈钢为200GPa)，比目前常用的医用金属材料更接近自然骨(自然骨的弹性极限约为1％，弹性模量为20～40GPa)，这使得锆基非晶合金在人工关节，股骨头支撑体及牙科种植体等生物医用方面具有广阔的应用前景。

然而，许多具有高非晶形成能力的锆基非晶合金(如Zr-Al-Ni-Cu和Zr-Ti-Cu-Ni-Be非晶合金的形成能力分别达到了30mm和14mm)都含有对人体毒性较大的镍、铜或铍元素。在使用过程中由于腐蚀溶出除了会对人体产生过敏反应外，还存在着致畸、致癌的危险性，严重威胁人体健康。许多国家对日用和医用金属材料中镍含量的限制越来越严格，标准文件中所允许的最高镍含量也越来越少。此外，目前开发的具有高非晶形成能力的锆基非晶合金的铜含量大多在20at.％以上，有研究表明，高铜含量的合金在腐蚀作用下会析出高浓度的铜离子，具有潜在的生物毒性。因此，开发具有高形成能力的无镍低铜含量的锆基非晶合金对拓展其生物医用领域的应用具有重要的意义。

发明内容

本发明技术解决问题：为了降低锆基非晶合金的生物毒性，以及提高合金的非晶形成能力，提供一种Zr-Ti-Nb-Al-Fe-Cu-Ag-Pd块体非晶合金，利用相似相异元素共存原则，通过在Zr-Al-Fe系非晶合金中采用相似元素Ti、Nb来替代Zr，相似元素Cu、Ag、Pd来替代Fe，以此来提高锆基合金的非晶形成能力；同时不含有镍元素，并把铜元素含量控制在15％以下，以提高锆基非晶合金的生物相容性。

本发明技术解决方案：一种无镍低铜锆基块体非晶合金，所述合金组成成分为原子百分比：Zr_aTi_bNb_cAl_dFe_eCu_fAg_gPd_h，其中a：60％～70％、b：1％～2.5％、c：0％～2.5％、d：7.5％～12.5％、e：5％～15％、f：5％～15％、g：0％～10％、h：0％～10％。

所述合金Zr_aTi_bNb_cAl_dFe_eCu_fAg_gPd_h组成成分为原子百分比为：a：60％～65％、b：1％～2.5％、c：0％～1％、d：7.5％～10％、e：7.5％～12.5％、f：7.5％～12.5％、g：2.5％～10％、h：2.5％～10％。其具有高的形成能力，非晶合金的临界形成尺寸大于5mm。

所述非晶合金临界尺寸为1.5-14mm。

所述合金具有1520MPa～1780MPa的压缩屈服强度，弹性模量74GPa～88GPa，同时最大塑性变形量达到15％。

所述锆(Zr)的质量百分比纯度为99.8％；钛(Ti)的质量百分比纯度为99.99％；铌(Nb)的质量百分比纯度为99.9％；铜(Cu)的质量百分比纯度为99.98％；铁(Fe)的质量百分比纯度为99.8％；铝(Al)的质量百分比纯度为99.9％；银(Ag)的质量百分比纯度为99.9％；钯(Pd)的质量百分比纯度为99.95％。

一种无镍低铜锆基块体非晶合金的制备方法，步骤如下：

步骤一：按照上述配料