[发明专利]一种Ti-Nb-Mn合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Ti‑Nb‑Mn合金，该合金由如下重量百分比组成：钛72％～73％、铌23％‑24％和锰3％‑5％。Ti‑Nb‑Mn合金的方法包括：a、按照上述重量百分比进行配料，置于真空电弧熔炉中，反复熔炼3～6次，冷却后获得到母合金锭；b、将母合金锭放入石英管中，对盛有母合金锭的石英管进行抽真空，使其内部的真空度达到3×10^‑4～1×10^‑3Pa，再将盛有母合金锭的石英管放入井式电阻炉中加热至900～920℃，保温25～35min；快速将石英管淬入饱和NaCl溶液中，得到形成β型Ti‑Nb‑Mn合金。发明的有益效果是：1、具有较高抗拉强度和较低的弹性模量；2、用安全无毒强β相稳定元素Mn，部分替代Nb贵重金属，降低熔炼难度，易于固溶处理；3、安全无毒强β相稳定元素Mn，降低了生产成本。

技术领域

本发明具体涉及医疗器械领域，特别涉及一种Ti-Nb-Mn合金及其制备方法。

背景技术

与其它生物医用金属材料相比，钛及钛合金由于具有较低的密度、高的比强度、良好的耐蚀性和生物相容性等显著特点，因此成为矫形外科、骨骼置换及关节修复等医疗外科手术中广泛应用的金属材料。目前,在临床医学中应用的钛及钛合金主要是纯Ti(CP-Ti)和Ti-6Al-4V(TC4)合金，但它们具有较高的弹性模量(≥110GPa)，远高于人骨(3-20GPa)，如果植入人体，会对周围的骨骼产生“应力屏蔽”，导致植入体周围出现骨吸收，最终引起植入体的无菌松动，缩短使用寿命。研究表明，在构成钛合金的各类相中，具有体心立方结构的β相弹性模量最低。设计和开发具有更低的弹性模量的β钛合金成为医用钛合金材料开发的重点。

Nb与β-Ti晶格相同，能无限固溶于β相中，而不形成化合物。因此，Ti-Nb类合金是目前研究和开发的最主要的医用β型钛合金，包括Ti-Nb二元系,Ti-Nb-Ta、Ti-Nb-Zr及Ti-Mo-Nb等三元系及Ti-Nb-Ta-Zr等四元系合金。虽然Nb属于β相稳定元素且无毒性，但获得完全β相的加入量大。研究表明，对于Ti-Nb合金，只有当Nb量达到42％，经过水淬β相才能完全保留到室温。Nb属于贵重的稀有元素，加入量大势必造成合金成本的提高。另外，Nb的熔点高达2468℃，这势必造成熔炼的困难，形成的组织易产生偏析，影响力学和耐腐蚀性能。因此，以廉价的强β相稳定元素代替Nb元素形成的β型钛合金具有很大的研究、开发价值。

Ti-Nb基合金由于具有低的弹性模量和较好的形状记忆效应，是最有潜力开发使用的医用钛合金。一些Ti-Nb基的亚稳定钛合金已经得到了应用，如Ti-13Nb-13Zr，Ti-35Nb-5Ta-7Zr，Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr，Ti-39Nb-5.1Ta-7.1Zr(TNTZ)和Ti-34Nb-9Zr-8Ta。这些钛合金在获得低的弹性模量的同时却造成合金强度较低。有的弹性模量较高，但合金的强度却不足600MPa，如Ti-35Nb-5Ta-7Zr。为了满足生物医用材料好的生物相容性的特点外，还应该使得材料具有中等的强度和较低的弹性模量。一般来讲，材料的抗拉强度大于650MPa，弹性模量在70GPa以下，可满足骨科，牙科等生物医用领域的应用。

Mn是强β相稳定元素，且其对β相具有较大的固溶强化效应。作为世界卫生组织确认的14种人体必需的微量元素之一，研究表明当Mn≤13％时，Ti-Mn合金具有优良的细胞存活率，与CP-Ti的相当，微量Mn具有生物安全性。Mn是安全无毒强β相稳定元素，研究合适的加入量代替Nb元素以期高的抗拉(去掉抗拉)强度和低的弹性模量。

因此，一种的Ti-Nb-Mn合金及其制备方法成为解决问题的关键。

发明内容

作为各种广泛且细致的研究和实验的结果，本发明的发明人已经发现：选取安全无毒强β相稳定元素Mn，部分替代Nb贵重金属，降低熔炼难度，易于固溶处理，同时避免组织产生偏析，改善力学性能，提高抗拉强度，保持低弹性模量。

本发明的一个目的提供一种Ti-Nb-Mn合金，其具有较高抗拉强度和较低的弹性模量。