[发明专利]一种无镍超弹性钛基形状记忆合金及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种无镍超弹性钛基形状记忆合金及其制备和应用。该无镍超弹性钛基形状记忆合金包含以下按质量百分比计的组分：Zr为57～63％，Mo为2～8％，Mn为1.5～2.4％，余量为Ti以及不可避免的杂质。本发明的无镍超弹性钛基形状记忆合金具有高可恢复应变、低模量、高强度的特点，且耐磨性能好，可直接制成各种异形器件并可在工业上大规模生产，适用于生物医用材料领域的人体硬组织修复与替代，还可以应用于工业制品领域。

技术领域

本发明属于记忆合金材料领域，特别涉及一种无镍超弹性钛基形状记忆合金及其制备和应用。

背景技术

在整形外科中，镍钛(NiTi)形状记忆合金由于其独特的形状记忆效应，近20年来，在医疗领域得到了广泛的应用，已被用于制作脊椎侧弯症矫形器、加压骑缝钉、髓内钉、接骨超弹丝、关节接头等产品。镍钛合金独特的超弹性与人体骨的力学行为相似，即可在承受较大应变(>3％)后恢复原状。同时，镍钛记忆合金由于超弹性而具有良好的综合力学性能，包括高的抗疲劳性等；而且它具有相对较低的弹性模量，植入后能减少“应力屏蔽”效应，最大限度地防止植入物早期失效；但是镍钛合金中镍(Ni)元素可向周围组织扩散、渗透，产生一定的致敏性，细胞毒性和致敏性，使其在生物领域的应用存在潜在隐患。因而急需开发出无镍医用钛基形状记忆合金。

目前，已开发出的无镍钛合金包括Ti-Nb系、Ti-Mo系和Ti-Ta系等。其中Ti-Nb系合金最受关注，主要是由于其较好的力学性能和生物相容性，包括Ti-Nb二元体系、Ti-(Nb、Mo、Ta)三元体系、以及Ti-(Nb、Mo、Ta)四元体系。相对于医用植入NiTi记忆合金而言，无镍钛基记忆合金的可恢复应变和强度还是偏低，而且弹性模量相对较高。例如，NiTi记忆合金的可恢复应变最高可达8.9％、弹性模量低至48GPa左右，目前报道的无镍钛基记忆合金可恢复应变大多在5％以下，而模量相对较高。

2008年厦门大学在中国专利CN 101285139中公布了一种低弹性模量钛钽锆(Ti-Ta-Zr)形状记忆合金，其组成及其按质量百分比的含量为钛39％～51％、钽40％～55％、锆3％～12％。其形状记忆可回复应变在1.3～3.2％，弹性模量在46～71GPa，抗拉强度在480～660MPa。

2013年袁斌等在中国专利CN 103526062中公布了一种Ti-Nb-O记忆合金及其制备方法。该方法把纯Ti粉、Nb粉、TiO₂粉和TiH₂粉按照Ti原子、Nb原子和O原子和H原子比为(77～91)：(8～18)：(1～3)：(0～5)混合均匀，压制成型，得到生坯；生坯放入烧结炉中，在保护气体氛围下进行烧结，得到烧结态的Ti-Nb-O合金；Ti-Nb-O合金放入管式炉中，在氩气保护下进行固溶处理，固溶态的Ti-Nb-O记忆合金放入管式炉中，在氩气保护下进行时效处理，接着在冰水中快速冷却合金。该合金可恢复应力在4～5.5％之间。但该发明工艺复杂，利用TiH₂控制高温下烧结气氛，易导致烧结材料含氢量高，服役过程中产生脆断，制件产生早期失效。

对无镍形状记忆合金研究开发，已有较多的科学文献、专利。但至今仍然没有一种无镍形状记忆合金的形状记忆性能、相变超弹性性能，能与镍钛形状记忆合金相媲美，因而需要研究开发新的无镍形状记忆合金。以上报道的对新型形状记忆钛合金的性能评价目前主要集中在可恢复应变率，抗拉强度、压缩强度等基本性能评价，而对合金在医疗和工业领域实际应用时所关注的摩擦磨损性能，抗疲劳性能等几乎没有涉及。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无镍超弹性钛基形状记忆合金。

本发明的另一目的在于提供所述无镍超弹性钛基形状记忆合金的制备方法。

本发明的又一目的在于提供所述无镍超弹性钛基形状记忆合金的应用。