[发明专利]一种具有低杨氏模量的Ti-Mn-Nb三元合金

说明书

一种具有低杨氏模量的Ti‑Mn‑Nb三元合金，涉及合金材料。提供具有较低杨氏模量，同时兼顾良好抗拉强度及延伸率且不含对人体有害元素的一种具有低杨氏模量的Ti‑Mn‑Nb三元合金。所述具有低杨氏模量的Ti‑Mn‑Nb三元合金的组成按原子百分比为：锰(Mn)4％～12％、铌(Nb)2％～18％、余量为钛(Ti)。所述具有低杨氏模量的Ti‑Mn‑Nb三元合金的制备工艺流程可为：配料、在Ar气保护下的电弧熔炼、试样切割成型、热处理。

技术领域

本发明涉及合金材料，尤其是涉及一种具有低杨氏模量的Ti-Mn-Nb三元合金。

背景技术

随着全球老年人口数目的不断增加以及现代人工作压力大、生活不规律导致的慢性疾病患病率的逐年提高，人们对于生物医用材料的需求量持续攀升。目前临床中应用的生物医用材料主要包括纯金属钛、钽、铌、锆、生物医用不锈钢、钴基及钛基合金等，主要用于各种人工关节、颅骨缺损修补面以及冠脉搭桥支架等(何宝明,王玉林,戴正宏.生物医用钛及其合金材料的开发应用进展,市场状况及问题分析[J].钛工业进展,2003(5):82-87)。钛及钛合金在生物医学领域获得了广泛的应用，这主要是因其密度低，在大气和腐蚀液体环境中具有良好的耐腐蚀性；由于钛合金的无磁性，在核磁共振成像中较不锈钢和钴铬基合金具有良好的成像能力；到目前为止，植入生物体中的钛合金未发现过敏反应。(NiinomiM,Nakai M,Hieda J.Development of new metallic alloys for biomedicalapplications[J].Acta Biomaterialia.2012,8:3888-8903)。此外，钛合金具有较低的杨氏模量(纯钛的杨氏模量大概只有钢铁的一半，约为110GPa左右)。杨氏模量是生物医用材料的一项重要的性能指标，植入人体的金属虽需要一定的结构强度，但植入材料与人骨相比，若具有较高的杨氏模量，即会产生应力屏蔽效应(即两个弹性模量不同的材料一起受力的时候，杨氏模量大的会承受较多的应力，杨氏模量低的骨骼几乎不承受应力)，导致术后骨骼不能得到锻炼而渐渐萎缩(Brunette DM,Tengvall P,Textor M,Thomsen P.Titaniumin medicine:material science,surface science,engineering,biological responsesaNb medical application[M].New York:Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork.2006:7-10)。人体骨骼的杨氏模量大约在10～30GPa，传统钛合金比其他金属具有更低的杨氏模量而被认为是人骨的良好替代材料。

传统钛合金中经常存在大量Al、V、Cr、Cu、Fe、Ni等对生物体有毒元素，例如，V、Cu、Ni、Cr等元素具有细胞毒性，而Al元素长期在人体中会引起Alzheimer病(NiinomiM.Recent metallic materials for biomedical applications[J].Metall Mater TransA.2002,33:477-486)。研发不含对人体有害元素的Ti合金成为目前国内外研究的重点。研究者们为了替代有毒元素，例如，在口腔领域应用的生物医用钛合金中加入贵金属Pt、Au等，但是这样会大大提高材料的成本。

中国专利CN101892403A公开一种低Nb含量的生物医用β-钛合金，其成分重量配比为Ti-(4-10％)Mo-(9-19％)Nb-(10-19％)Zr-(1-7％)Sn，铸态下抗拉强度为630～780MPa，延伸率为6％～14％，杨氏模量为58～70GPa。合金中加入了较多的Mo、Nb、Zr高熔点合金元素，会加大合金的制备难度，且合金的杨氏模量还是明显高于人骨的杨氏模量(10～30GPa)。

中国专利CN1570168公开一种高强度低模量生物医用钛合金，其成分重量配比为Ti-(31％～34％)Nb-(6％～9％)Zr，在铸态下合金的抗拉强度为600MPa，延伸率为19％，杨氏模量为65GPa；固溶处理后合金的抗拉强度为1050MPa，延伸率为12％，杨氏模量为80GPa。