[发明专利]一种低模量低磁化率的BCC Zr-Ti-Mo-Sn-Nb合金

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种具有低弹性模量、低磁化率、可生物医用的BCC Zr-Ti-Mo-Sn-Nb固溶体合金材料。

背景技术

核磁共振成像MRI（Magnetic resonance imaging）是一项重要的医学诊断技术，其最大优势在于通过调节磁场可自由选择所需剖面，能得到其它成像技术所不能接近或难以接近部位的图像。但其局限之一是无法诊断体内植入金属材料的人群，如不锈钢、Co-Cr合金、Ti合金等，此类材料在强磁场下会导致成像失真，这种磁场扰动与材料的磁化率成正相关。目前，许多外科手术需要在MRI下进行，因此，在该领域需要一种低磁化率、低弹性模量的生物医用材料。由于金属Zr具有非常低的磁化率(1.33×10³cm³g^-1)，低于金属Ti(3.2×10³cm³g^-1)，且具有比Ti低的弹性模量(E_Zr = 68 GPa, E_Ti= 116 GPa)，低的细胞毒性及高的耐蚀性，故Zr及Zr合金在结构生物材料领域具有广泛的应用前景。近年来，美、日等国先后开发出多种新型Zr合金，如Zr-Nb和Zr-Mo等，其中合金化组元Mo、Nb是强稳定BCC(体心立方) β-Zr固溶体结构的组元，这类组元的添加可以使得合金易于获得BCC结构。但对低弹性模量和低磁化率的β-Zr合金还未见有报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不能同时保证合金具有单一β-Zr结构、以及低弹性模量和低磁化率，提供一种具有低弹性模量、低磁化率、性能优异、可生物医用的BCC Zr-Ti-Mo-Sn-Nb固溶体合金材料。

本发明采用的技术方案是：一种低模量低磁化率的BCC Zr-Ti-Mo-Sn-Nb合金，其特征在于：它包括Zr、Ti、Mo、Sn和Nb元素，其合金成分的重量百分比为Zr-(0-3.3%)Ti-(0-6.5%)Mo-(0-7.1%)Sn-(6.3-17.2%)Nb。

实现上述技术方案的构思是：利用申请人的“团簇+连接原子”结构模型来设计Zr-Ti-Mo-Sn-Nb合金成分。“团簇+连接原子”结构模型可将固溶体结构看作由团簇和连接原子两部分构成，并能给出成分式[团簇](连接原子)_x。在BCC β-Zr合金中， 14个Zr原子占据第一壳层形成CN14多面体团簇，其它合金化元素在团簇式中的占位原则是：与Zr具有负混合焓的元素Mo、Sn占据团簇心部，形成[(Mo/Sn)Ti₁₄]团簇；与Zr具有正混合焓的Nb元素与Zr原子易分离，故在团簇结构模型中Nb作为连接原子；而Ti与与Zr为同族组元，混合焓为零，可替代团簇壳层上的Zr。由此，在Zr-Ti-Mo-Sn-Nb体系中，形成的团簇成分通式为[(Mo,Sn)(Zr,Ti)₁₄]Nb_x (x=1-3)。根据此成分式设计合金成分，然后转化成重量百分比。设计的原则是保证各合金化元素添加含量的最优配比，以保证合金在单一BCC β-Zr结构基础上体现出低弹性模量和低磁化率。

本发明的成分合金采用高纯度组元元素按重量百分比合金成分进行配比；然后利用非自耗电弧熔炼炉在Ar气保护下对配比的混合物进行多次熔炼，以得到成分均匀的合金锭，然后利用铜模吸铸快冷工艺将合金锭制备成直径为6 mm的合金棒，用作纳米压痕实验和磁化率测试样品；利用XRD(Cu K_α辐射，λ= 0.15406 nm)检测合金结构；利用纳米压痕仪(MTS nanoindenter XP system)测试BCC β-Zr合金样品的力学性能(主要是弹性模量)；利用磁性能测量系统 XL-7 测试β-Zr合金的磁化率；利用显微维氏硬度计测试BCC β-Zr合金的硬度。由此确定出本发明中具有低弹性模量、低磁化率、性能优异、可生物医用的BCC Zr-Ti-Mo-Sn-Nb合金成分，为Zr-(0-3.3%)Ti-(0-6.5%)Mo-(0-7.1%)Sn-(6.3-17.2%)Nb(重量百分比)，其力学性能参数范围分别为：弹性模量E= 77-91 GPa，磁化率χ_g = 2.12-3.01 cm³g^-1，硬度H_V = 243-311 kgf·mm^-2。