[发明专利]一种Ti-Zr-Si块体金属玻璃合金及其制备方法

说明书

本发明提供了一种Ti‑Zr‑Si块体金属玻璃合金及其制备方法，该制备方法包括：步骤S1，按照Ti₃₉Zr₃₂Si₂₉的原子的比例，称取Ti、Zr和Si金属粉末，在保护气氛下进行球磨；步骤S2，将球磨好的混合金属粉末放入模具中进行预压，然后采用放电等离子体进行烧结，烧结温度为550‑630℃。采用本发明的技术方案，通过机械合金法结合SPS工艺烧结制备出大尺寸块体Ti‑Zr‑Si金属玻璃，仅仅含有三种元素，三种元素都无毒，制备工艺成本低，得到的Ti‑Zr‑Si块体金属玻璃具有与人骨相近的弹性模量和远高于人骨的压缩强度，还具有良好的耐腐蚀能力，作为骨科材料有更实际的应用前景。

技术领域

本发明属于材料技术领域，尤其涉及一种Ti-Zr-Si块体金属玻璃合金及其制备方法。

背景技术

钛基金属玻璃合金是一种非常有前景的长期植入型材料。当前大块金属玻璃的开发主要依托快速凝固工艺(如铜模铸造和水淬等)实现。在井上经典三原则和深共晶成分原理的指导下，已开发的较大尺寸的钛基金属玻璃往往无法摆脱有毒元素(如Ni、Be)或贵金属元素(如Pd)的限制。因此，开发低成本、无毒、良好金属玻璃形成能力的Ti基金属玻璃仍然是一个挑战。

在已有技术中，采用高纯元素(Ti:99.95％；Zr：99.95％；Si：99.99％)作为原材料，通过氩弧熔炼反复熔炼至少四次获得均匀的合金铸锭。之后利用铜辊甩带机在真空条件下以30米/秒的转速制备出约30μm厚，2-4mm宽的Ti-Zr-Si非晶合金带材。但是通过快速冷却技术开发的较大尺寸的钛基金属玻璃普遍含有毒元素(如Ni、Be)或贵金属元素(如Pd)，无论是从安全性的角度或是生产成本的角度，都不利于在生物医疗领域的应用。现有技术有的金属玻璃合金还存在因自身较大的杨氏模量而产生应力屏蔽问题，不利于患者的康复，满足不了实际应用的需求。而且大量的研究表明，元素种类越多原子的错配度越高从而越有利于非晶合金的形成，如何在具有更少的元素种类下，得到无毒以及成本较低的Ti-Zr-Si非晶合金，能具有低的杨氏模量，可以用作骨植入材料成为了现阶段需要解决的问题。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种Ti-Zr-Si块体金属玻璃合金及其制备方法，得到的大尺寸的Ti-Zr-Si金属玻璃，具有低杨氏模量，用作骨植入材料有很广阔的应用前景。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种Ti-Zr-Si块体金属玻璃合金的制备方法，其包括：

步骤S1，按照Ti₃₉Zr₃₂Si₂₉的原子的比例，称取Ti、Zr和Si金属粉末，在保护气氛下进行球磨；

步骤S2，将球磨好的混合金属粉末放入模具中进行预压，然后采用放电等离子体进行烧结，烧结温度T_S为550-630℃。

采用此技术方案可以制备得到大尺寸的金属玻璃合金，而且成本低，无毒，有效避免了钛基金属璃普遍含有有毒元素或贵金属的局限性，也解决了通过传统的快速冷却工艺只能制备金属玻璃带材的问题。得到的金属玻璃合金具有低杨氏模量，具有远高于人骨的压缩强度和良好的耐腐蚀性，用作骨植入材料有很广阔的应用前景。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中，球磨时，采用大、中、小磨球，球料比(球质量：粉末质量)为35-45:1，球磨时间为8-12h。

作为本发明的进一步改进，大、中、小磨球的个数比为1:3:9，球料比(球质量：粉末质量)为40:1，球磨时间为10～40h。

进一步的，大、中、小磨球的直径分别为15mm、10mm、8mm。

进一步的，球料比(球质量：粉末质量)为40:1。