[发明专利]一种高硬高耐磨钛合金及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高硬高耐磨钛合金及其制备方法和应用，其化学组成为Ti_aPt_bM_c，其中，M为Pd、Au、Ag、Rh中的至少一种，且70 at.%≤a≤75 at.%，24 at.%≤b≤30 at.%，1 at.%≤c≤5 at.%，另外，a+b+c=100 at.%，本发明选择以Ti、Pt二元合金为基础，进一步合金化Pd、Au、Ag、Rh等元素，可显著提高合金硬度，由于所选择的合金化元素具有较高的化学稳定性，因此能改善合金的耐腐蚀性和生物相容性；并且，其主晶相为Ti₃Pt金属间化合物，其显微硬度值大于700 Hv，远高于纯钛及传统医用钛合金，能有效缓解耐磨性差的问题；另外，Pt、Pd、Au、Ag、Rh等为贵金属元素，具有较高的化学稳定性，在生理环境中具有高的耐腐蚀性，能有效降低离子析出，降低生物毒性。

技术领域

本发明涉及合金材料及其制造领域，尤其是一种高硬高耐磨钛合金及其制备方法和应用。

背景技术

除了在工业、汽车和航空航天领域的众多应用之外，钛及钛合金还被广泛用于生物医用植入材料以替代或修复患者的受损的硬组织。通过对许多对不同等级的钛材料进行体外和体内生物相容性实验研究表明，由于商业纯钛能自发形成高惰性和稳定氧化层，是一种生物相容性优异的生物材料。另外，钛及钛合金具有高的比强度、在水溶液中离子析出水平低，这些特性也促进了其在生物医用材料领域的应用。此外，钛是少数具有骨整合能力的材料之一。这些特性使钛广泛用于人工膝关节和髋关节、骨折固定用螺钉和分流器、骨板、起搏器和心脏瓣膜假体等设备。钛同样普遍应用于牙科领域，包括植入物及其组件，如镶嵌物、牙冠、覆盖物等。

然而，纯钛的强度不足以满足许多医疗器械的需求，因此有必要开发优质合金材料。虽然采用合金化其他金属元素可以提高钛的强度和硬度，但必须注意保持钛的生物相容性。已报道的研究表明，采用铜或银合金化可使钛的硬度增加两倍。使用与铜和银的化合价相同但质量密度较高的合金元素会导致较高的化合价电子密度，这可能导致更高的结合强度，从而提高硬度。这一发现表明，在钛二元合金中，金是一种合适的合金化候选者，因为它的密度几乎是铜或银的两倍。目前广泛使用的金基植入材料证明了其生物相容性和耐腐蚀性。

为了追求更高的力学性能和生物相容性，开发新的钛基合金体系是研究者们一直以来的研究重点。铂和金、钯、银同属于贵金属，具有相近的化学性质，铂的密度与金相当，且化学稳定性、耐生物腐蚀性能和生物相容性优于金元素，但目前还未有关于高硬度钛铂系列合金的研究报道。

目前医用纯钛和钛合金硬度较低、耐磨性较差，限制了其在生物医用领域的广泛应用。通过合金化元素可以提高钛及钛合金的硬度和耐磨性，但是部分金属元素如Cu或Ni，会降低钛合金的耐蚀性和生物相容性。

发明内容

针对现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种高硬高耐磨钛合金及其制备方法和应用，其为新型的钛基合金，以二元钛铂合金为基础，进一步合金化钯、金、银、铑等元素，合金晶相主要为Ti₃Pt金属间化合物，具有超高硬度、耐磨性和优异的生物相容性，在生物医用植入材料领域表现出良好的应用前景。

为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案为：

一种高硬高耐磨钛合金，其特征在于：其化学组成为Ti_aPt_bM_c，其中，M为Pd、Au、Ag、Rh中的至少一种，且70 at.% ≤ a ≤ 75 at.%，24 at.% ≤ b ≤ 30 at.%，1 at.% ≤ c≤ 5 at.%，另外，a + b + c = 100 at.%。

优选的，所述的M为Pd、Au、Ag和Rh组成，其中，a=71 at.%，b=25 at.%，c=1 at.%；所述钛合金的化学组成为Ti₇₁Pt₂₅Pd₁Au₁Ag₁Rh₁。