[发明专利]一种超高塑性、高强低模医用超细晶钛合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属超细晶材料与复合结构材料制备技术领域，具体涉及一种超高塑性、高强低模医用超细晶钛合金及其制备方法。

背景技术

生物医用材料是指以医疗为目的，用于诊断、治疗、修复或替换人体组织器官或增进其功能的材料。骨科中用于制造各种人工关节和人工骨医用材料主要包括高分子材料、金属材料、非金属材料和复合材料。鉴于金属材料具有较高的强度、韧性和优良的加工性能，可被用作人工膝关节、股关节、齿科植入体、牙根及义齿金属支架等，从而在外科移植手术中得到了广泛地应用。

目前，最常用的医用金属材料有不锈钢、Co-Cr合金、钛合金三种。与前两种合金相比，钛合金具有生物相容性好，综合力学性能优异、比强度高、抗腐蚀能力强等特点，是一种相对理想的医用材料。然而，传统医用α+β钛合金可能含有Al、V等有毒元素引发炎症，也可能因为腐蚀或机械损伤而断裂，或因弹性模量过高产生应力屏蔽，导致种植失败。因此，新型生物医用钛合金需满足以下要求：(1)不含有毒元素或过敏元素，改善组织和血液相容性，生物相容性好；(2)尽量使植入材料的弹性模量和人骨相接近，同时具备一定的强度以支撑人体重量，力学相容性好；(3)良好的耐磨性和抗腐蚀性能。

与α+β型钛合金相比，β型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，因而不含V和Al元素的β钛合金得到广泛的研究。Ti-Nb-Ta-Zr系合金的弹性模量为48～55GPa，仅为传统Ti-6Al-4V合金弹性模量(110～114GPa)的一半，也是目前为止文献报道的较低值。题目为“放电等离子烧结法制备的高强低模超细晶钛基复合材料”(“Ultrafine-grained Ti-based composites with high strength and low modulus fabricated by spark plasma sintering”)的研究论文制备的医用TiNbZrTaFe复合材料屈服强度达2425MPa，断裂应变为6.9％，弹性模量为52GPa(Y.Y.Li,L.M.Zou,C.Yang,Y.H.Li,and L.J.Li,Materials Science&Engineering A,2013,560,857–861)。另外，医用Ti-Nb-Sn系合金的弹性模量为40GPa，是迄今为止文献报道的最低值之一。开发具有优异生物相容性、超高塑性、高强度和更低模量的新型医用超细晶钛合金，已成为医用金属材料领域的发展趋势，具有重要的研究价值。

与粗晶材料相比，细晶材料强度、硬度、塑性和韧性更高。不同晶粒尺寸的钛在相同条件下的性能对比研究表明，超细晶钛比粗晶钛耐磨性更高。题目为“粉末冶金制备的超细晶TiNbZrTaFe复合材料的异常干滑动摩擦行为”(“Unusual dry sliding tribological behavior of biomedical ultrafine-grained TiNbZrTaFe composites fabricated by powder metallurgy”)的研究论文表明，新型超细晶TiNbZrTaFe合金的晶粒尺寸越小，其耐摩擦磨损性能越优异，且远远优异于传统的锻造Ti-6Al-4V和铸造Ti-13Nb-13Zr钛合金(L.M.Zou,L.J.Zhou,C.Yang,S.G.Qu,and Y.Y.Li,Journal of Materials Research，2014,29(7),902-909)。另外，研究表明，在同成分纯钛和钛合金中，晶粒尺寸对细胞粘附行为和生物相容性影响显著，纳米晶和超细晶材料具有比细晶材料更好的细胞粘附力(D.Kshang,J.Lu,C.Yao,Biomaterials,2008,29,970–983)。因此，决定肌肉/骨细胞与植入材料粘附行为和生物相容性的最重要因素是植入材料表面的晶粒尺寸。