[发明专利]一种表面氧化的β型医用锆合金的制备方法

说明书

本发明公开了一种表面氧化的β型医用锆合金的制备方法，将β型锆合金材料先后用丙酮、无水乙醇进行材料表面的超声水洗，水洗后烘干：再将空气在炉中加热到550‑750℃，烘干后的β型锆合金放置于充满热空气的炉中，保温30min‑90min；炉内气压为一个标准大气压，合金表面形成一层表面氧化层，氧化层的厚度为8μm‑50μm，即得到表面氧化的β型医用锆合金。本发明得到的合金材料具有耐磨性和耐腐蚀性等特点，同时还保留良好的塑性和较低的弹性模量，符合临床医学对植入材料的要求。

技术领域

本发明属于医用复合材料技术领域，具体涉及表面化的β型医用锆合金的制备方法。

背景技术

由于钛合金具有由于比重小、比强度高、弹性模量低、耐腐蚀以及优良的生物相容性和加工成形性，且资源丰富，近年来已发展成为外科植入物用较理想的功能结构材料。但是它的缺点也是显而易见的，作为植入体材料，它的耐磨性太差。钛合金作为齿科植入钉或者人造骨头的材料，由于植入物和自体器官的滑动是不可避免的，新的滑动摩擦又会使得钛合金自然形成的钝化膜被破坏，材料又会形成新的腐蚀磨损，综合以上原因，材料的表面会变得粗糙。除此之外，材料的磨粒会嵌入人体的组织细胞中，这样会引起组织炎症，加剧人们的痛苦。此外，磨粒在植入材料和被植入体之间，易形成三体磨损，这样又加剧了修复材料的自身损耗。

锆和钛具有相似的性质，锆合金具有良好的强度，韧性和耐腐蚀性。锆和钛都是对人体五毒无害的元素，其中锆基生物医用合金材料具有传统钛合金等常规生物医用合金的优点，其杨氏模量能与人体骨骼更为匹配。众所周知，通过对材料进行表面处理可以用来改善材料的摩擦磨损性能。其中表面处理包括：渗氮，渗氧，渗碳，可以在基体上形成一层高硬度的耐磨层。科研人员利用表面处理的方法例如：微弧氧化，磁控溅射，激光加工等，来获取表面氧化或者氮化涂层来改善基体的摩擦磨损和耐腐蚀性能。在这几种表面处理的方法中，氧化是比较经济简单有效的一种方式。最近人们发现通过将锆合金放入加热的空气中进行自然氧化可以形成一层光滑致密的氧化膜。并且通过此技术氧化处理形成的氧化膜不依赖基体的形状。由于人体植入材料需要加工成较为特殊形状，因此该技术有很好的开发潜力。

发明内容

本发明的目的是提供一种表面氧化的β型医用锆合金的制备方法，在锆合金表面获得一层高硬度耐磨耐腐性的氧化层，同时还保持锆合金和人体骨头更加匹配的弹性模量，通过该方法得到的β型医用锆合金符合使用要求。

本发明技术方案如下：

本发明采用的海绵锆、铌以及硅的纯度都在99.0％以上，均可从市场上购买得到。

一种表面氧化的β型医用锆合金的制备方法，包括以下步骤：

一、β型医用锆合金的制备

(1)原料称取，采用纯度为99.9％的锆、纯度为99.9％的铌和纯度为99.9％的钛为原料，原料金属表面都经过打磨，去除表面氧化皮；再根据各原料组分的重量百分比称取，备用；原料组分及重量百分比为：锆75.12％-79.65％，铌20.35％-21.04％，余量为钛。

(2)原料混合，将称好的原料搅拌混合均匀；

(3)熔炼制备：采用非自耗型真空电弧炉进行熔炼，抽真空，真空度控制在4.0×10^-3～6×10^-3Pa；通入氩气体进行洗气除去残留的空气；在氩气保护下进行熔炼，熔炼电压为220V，熔炼电流控制在93-117A，熔炼温度为2900℃-3100℃，保持120s-180s；完成后将电流缓慢调节至0A，调节的时间为40-60s，得到合金铸锭；

(4).合金铸锭在氩气的保护下，在坩埚铜中对合金铸锭进行快速冷却，坩埚铜底部通流动水流，铸锭由液态到固态的冷却时间为5-10秒，继续将合金铸锭在底部通水的水冷坩埚铜中进行冷却，冷却至室温，冷却时间为10-15min，反复熔炼5-8次，得到β型锆合金。

二、表面氧化层的制备