[发明专利]一种生物医用亚稳定β型Zr-Nb合金铸锭及其制备方法

说明书

本发明提供了一种生物医用亚稳定β型Zr‑Nb合金铸锭，由以下质量百分比的成分组成：Nb 10％～50％，O 0.05％～0.15％，余量为Zr和不可避免的杂质。另外，本发明还提供了制备所述Zr‑Nb合金铸锭的方法，该方法为：一、称取原料混合后压制成自耗电极块；二、组焊得到一次自耗电极；三、熔炼得到一次铸锭；四、组焊得到二次自耗电极；五、熔炼得到二次铸锭；六、组焊得到三次自耗电极；七、熔炼得到成品铸锭。本发明合金铸锭中合金元素Zr含量高于传统核工程用Zr‑Nb基合金，化学成分均匀性好，成品铸锭经热机械加工处理得到的合金棒材具有良好的综合力学性能，在骨科、齿科等外科植入领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于锆及锆合金材料制备与加工成型技术领域，具体是涉及一种生物医用亚稳定β型Zr-Nb合金铸锭及其制备方法。

背景技术

锆(Zr)和钛(Ti)的理化性质相似，拥有优异的耐蚀性和生物相容性。通过在锆金属中添加无毒性合金元素Nb使其耐蚀性提高并进一步得到强化。其中，最典型的为Zr-2.5Nb合金，其化学成分、微观组织结构和力学性能已纳入ASTM-F2384-05标准中，目前已在硬组织修复(髋、膝关节替代产品)中获得应用。

通常，当Nb的质量含量小于6％时，Zr-Nb合金主要由马氏体α′相组成；当Nb的质量含量在6％～20％之间时，有ω相析出；当Nb的质量含量在9％～24％之间时，Zr-Nb合金中的主要组成相为β相。力学性能方面，含有α′相的低Nb含量的Zr-Nb合金具有高强度、中等延伸率、高弹性模量和低磁化率的特征；含有ω相的中等Nb含量的Zr-Nb合金尽管磁化率很低，但是其室温塑性很差；含有高Nb含量的Zr-Nb合金主要由β相组成，虽然其中含有少量的ω相，但是仍具有优良的综合力学性能。当Nb含量的范围在10％～50％之间时，合金具有较低的弹性模量(48GPa～65GPa)，与人体自然骨的模量接近，能够有效减小“应力屏蔽”效应。另一方面，合金元素Nb的熔点(2468℃)与锆(1852℃)相比较高且密度较大，随着Nb含量的增加，合金熔体的粘度增大，导致在熔炼过程中合金元素的均匀分布变得异常困难，若原料的混、布料方式和熔炼参数控制不当，必定会造成铸锭的化学成分偏析和高密度夹杂等冶金缺陷。一般，在实验室里采用真空非自耗电弧熔炼炉(俗称“钮扣炉”)制得的铸锭化学成分均匀性好，但是体积太小，直径约5cm，高度约10cm，无法实现Zr-Nb合金产品多品种、小批量的中试规模化生产。然而，随着Zr-Nb合金铸锭尺寸的增加，导致熔炼的难度加大，化学成分偏析和高密度夹杂出现的概率增加，中规格合金铸锭的化学成分均匀性一般都很难保证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种生物医用亚稳定β型Zr-Nb合金铸锭及其制备方法。该合金铸锭中的合金元素Zr含量高于传统的核工程用Zr-Nb基合金，且本发明制备得到的合金铸锭化学成分均匀性好，不同部位合金元素Nb含量的相对偏差小，杂质元素含量低。成品铸锭经相应的热机械加工处理得到的合金棒材具有良好的综合力学性能，在骨科、齿科等外科植入领域具有良好的应用前景。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种生物医用亚稳定β型Zr-Nb合金铸锭，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Nb10％～50％，O 0.05％～0.15％，余量为Zr和不可避免的杂质。

上述的一种生物医用亚稳定β型Zr-Nb合金铸锭，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Nb 20％～40％，O 0.06～0.13％，余量为Zr和不可避免的杂质。

上述的一种生物医用亚稳定β型Zr-Nb合金铸锭，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：Nb 29％，O 0.09％，余量为Zr和不可避免的杂质。

另外，本发明还提供了一种制备上述生物医用亚稳定β型Zr-Nb合金铸锭的方法，其特征在于，包括以下步骤：