[发明专利]一种高强度低模量医用超细晶钛基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属超细晶合金的粉末冶金制备技术，具体是指一种高强度低模量医用超细晶钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

钛合金具有生物相容性好、综合力学性能优异、耐腐蚀能力强等特点，目前已是国内外金属生物医用主流产品。适合于生物医用的钛合金要求有高的强度和低的弹性模量，弹性模量过高，植入钛合金会与人体骨骼不匹配，引起应力屏蔽现象。

与α+β型钛合金相比，β钛合金不但具有更低的弹性模量和更高的强度，而且还能获得更好的强韧性组合，因而β钛合金更适合应用为生物医用材料。目前开发的医用β钛合金一般包含Nb、Zr、Ta等合金元素。据报道，Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金弹性模量仅为55GPa，是目前文献报道的最低值之一。

钛合金由于具有低导热率和低弹性模量，给它的机加工带来一定困难。对目前开发的低模量β型钛合金而言，由于其主要组成元素Ti、Nb、Zr、Ta为高熔点物质，且其熔点和密度差异较大，所以用铸造法生产存在晶粒粗，成分偏析较大等缺点。粉末冶金作为一种近净成形工艺，可以避免铸造法的缺陷，有效降低钛合金的生产成本。

研究表明，细晶材料比粗晶材料具有更高的强度、硬度、塑性和韧性。对于生物医学材料而言，除了力学性能优越以外，细晶材料在耐磨性、生物相容性方面也有其独特优点。题为“剧塑性变形制备的超细晶钛的干滑动摩擦磨损性能”(“Dry-sliding tribological properties of ultrafine-grained Ti prepared by severe plastic deformation”)的论文，公开了不同晶粒尺寸的Ti在不同环境下的摩擦性能，结果表明超细晶的Ti比粗晶Ti具有更好的摩擦性能(P.La，J.Ma，Y.T.Zhu，J.Yun，Acta materialia，2005，53，5167-5173)。题为“纳米相金属Ti、Ti6Al4V、CoCrMo具有提高的成骨细胞黏附性能”(“Increased osteoblast adhesion on nanophase metals：Ti，Ti6Al4V，and CoCrMo”)的论文，公开了对同成分纯钛和钛合金，晶粒尺寸对其生物相容性的影响，研究得出纳米晶材料比细晶材料具有更好的造骨细胞粘附力(T.J.Webster，J.U.Ejiofor，Biomaterials，2004，25，4731-4739)。因此，制备超细晶甚至是纳米晶生物医学材料，已成为生物医用材料领域发展的必然趋势和目前国内外的研究热点。但是目前铸造法只能制备晶粒粗大的产品，从而导致合金生物相容性较差和力学性能降低。放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，简称SPS)技术具有加热速率快、加热时间短等特点，可有效制备纳米晶、超细晶材料。如能采用SPS技术制备超细晶生物材料，将极具研究价值。

发明人在前期研究中，采用SPS技术-非晶晶化法方法制备出Ti-35Nb-7Zr-5Ta超细晶合金。即先机械合金化制备非晶粉末，然后采用SPS进行烧结，所得样品微观结构为体心立方β-Ti基体包围密排六方a-Ti相，其压缩断裂强度低于2120MPa，弹性模量高于80GPa，而且无塑性；研究成果已发表于《Powder metallurgy》期刊“采用机械合金化和S PS方法制备生物Ti-35Nb-7Zr-5Ta  合金”(“Fabrication of biomedical Ti-35Nb-7Zr-5Ta alloys by mechanical alloying and spark plasma sintering”)。

由于Fe元素为β-Ti稳定元素，且生物相容性好。为了改善Ti-Nb-Zr-Ta系合金力学性能，研究者将Fe元素按一定比例加入合金中，采用SPS技术-非晶晶化法进行制备，然而，对比实验表明Fe元素过多和过少，合金均无塑性，因此必须找到合理的配伍组分及其含量才能获得具有高强度以及显著的塑性，且弹性模量较低的体心立方β-Ti基体包围体心立方FeTi相结构的合金。另外，研究发现，机械合金化制备非晶粉末工艺的优化至关重要，例如球磨时间过长，使非晶相又转变为纳米晶相，在后续SPS烧结过程中，纳米晶相无法实现相分离形成两相区，从而导致样品力学性能下降。又如烧结温度过高或过低都对材料性能有影响，烧结温度过低，材料为纳米晶结构，且致密度不够，无塑性；烧结温度过高，晶粒长大，会导致性能降低。