[发明专利]一种低弹性模量高塑性钛合金及其制备方法和应用

说明书

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种低弹性模量高塑性钛合金及其制备方法和应用。本发明提供的低弹性模量高塑性钛合金，包括以下质量百分含量的元素：Fe 1.5～2.5％，Nb 12～18％，Sn 4～6％，Zr 4～10％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述低弹性模量高塑性钛合金的值为2.75～2.86，值为2.35～2.44。本发明所述低弹性模量高塑性钛合金由无毒的Fe、Nb、Sn、Zr和Ti组成，具有良好的生物相容性；通过各元素的协同配合，降低了钛合金的弹性模量且提高了塑性。实验结果表明，本发明提供的低弹性模量高塑性钛合金弹性模量为59～70GPa，延伸率为20.4～41.6％。

技术领域

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种低弹性模量高塑性钛合金及其制备方法和应用。

背景技术

医用合金具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能，是临床应用中最广泛的承力植入材料。医用合金主要有不锈钢、钴铬合金及钛合金三种医用材料，其中，钛合金是目前已知的生物亲和性最好的医用合金。实践中，高弹性模量的植入用医用合金易导致骨质疏松、无菌松动、肌肉萎缩甚至由于应力屏蔽引发手术失败。临床试验和力学实验发现，钛合金的弹性模量(40～150GPa)比不锈钢(约200GPa)和钴铬合金(约235GPa)更接近人骨的弹性模量(10～40GPa)，技术人员也一直追求获得更接近人骨弹性模量的钛合金。例如，美国开发的Ti-13Nb-13Zr合金(铸态)，弹性模量79～84GPa，但该合金弹性模量仍偏高，易产生应力屏蔽问题；日本Niinomi设计的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金，弹性模量约55GPa，但塑性仅为5％，不利于钛合金的加工成型；国内外使用最广泛的医用钛合金TC4ELI和Ti-6Al-7Nb弹性模量较高(100～120GPa)，易产生应力屏蔽问题，合金塑性较低(6～15％)限制了合金加工成型和使用寿命，此外合金中Al、V毒性元素在人体中长期积累会诱发相关疾病。基于医用钛合金在人体这一特殊环境中应用，目前的钛合金无法在生物亲和性优良的基础上兼顾低弹性模量和高塑性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低弹性模量高塑性钛合金，具有生物亲和性优良、弹性模量低且塑性高的特点，满足医用合金使用需求。

为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种低弹性模量高塑性钛合金，包括以下质量百分含量的元素：

Fe 1.5～2.5％，Nb 12～18％，Sn 4～6％，Zr4～10％，余量为Ti和不可避免的杂质；

所述低弹性模量高塑性钛合金的值为2.75～2.86，值为2.35～2.44，所述值和值分别按照式I和式II计算：

＝2.790Ti％+3.099Nb％+3.086Zr％+2.283Sn％+2.651Fe％ 式I，

＝2.447Ti％+2.424Nb％+2.934Zr％+2.100Sn％+0.969Fe％ 式II，

式I和式II中的元素均以摩尔百分含量计。

优选的，所述低弹性模量高塑性钛合金的弹性模量≤70GPa，延伸率≥20.4％。

本发明还提供了上述技术方案所述低弹性模量高塑性钛合金的制备方法，包括以下步骤：

将合金原料混合熔炼后冷却，得到合金锭；

将所述合金锭依次进行热轧和淬火，得到所述低弹性模量高塑性钛合金。

优选的，所述熔炼为真空非自耗电弧熔炼；所述熔炼中熔炼设备内的背底真空度≤2.0×10^-2Pa；所述真空非自耗电弧熔炼的电流为300～500A，电压为15～30V。

优选的，所述熔炼包括交替进行的熔化和随炉冷却，所述熔化的次数≥8次；所述熔化的时间为5～9min/次。