[发明专利]一种生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金及其制备方法和应用，属于非晶合金材料技术领域。该合金按原子百分比计的化学成分为：Zr 50.6‑61％，Al 15.3‑22.1％，Co 23.5‑32％，Ag 0.01‑6％。该合金不含Y、Ni等有细胞毒性的元素。合金通过真空电弧熔炼制成母合金锭后，利用真空吸铸模具制备成棒状样品，非晶形成尺寸最低达到Φ6mm。合金力学性能优异，表现出良好的抗腐蚀性和生物相容性，生物相容性由于TC4钛合金。合金原材料使用工业级海绵Zr，制造成本低，可制造能力优秀，在生物医疗领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及非晶合金材料技术领域，具体涉及一种生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金及其制备方法和应用。

背景技术

非晶合金又被称为金属玻璃，其具有长程无序、短程有序的特殊微观结构。从性能上讲，非晶合金具有高强度、高弹性、高硬度等特点。然而非晶合金的一个主要缺点在于其低形成能力。其制造过程中需要使熔融的合金液体以极高的速度冷却至室温，从而保留液体时的无序状态。冷却速度稍低时，即有可能使合金晶化，无法形成纯非晶。此外，炉腔气氛也是影响非晶合金制造的重要影响因素，非晶合金的熔炼或浇铸时必须在高纯氩气环境中进行，否则炉腔内的游离氧气会造成合金锭氧化，在浇铸过程中与合金元素反应，形成金属陶瓷相，阻碍纯非晶的形成。因而，低形成能力阻碍了非晶合金的发展和应用。

Zr基非晶合金在一众非晶合金体系中具有较高的形成能力，许多成分都可以形成直径1mm以上的块体非晶合金。同时，Zr基非晶合金还拥有较高的可制造性，加入微量的Y即可吸收固定合金中的游离氧，从而降低熔炼或浇铸时的气氛要求。因而在消费电子、汽车和航空航天等许多领域获得了应用。近年来日本研究者将Zr基非晶合金应用于生物医学领域，与小鼠成骨细胞的黏附实验证明其具有较高的生物相容性。然而，被人诟病的是，目前研究的Zr基非晶合金大多具有Ni、Y等被认为具有细胞毒性的元素，长期植入或对人体造成生理影响：有证据表明Ni可导致皮炎，口腔低剂量研究表明Ni可导致动物的生长速度和生殖能力下降。通过吸入、静脉内和肌内肠胃外施用Ni配合物可导致Ni致癌；而稀土元素大多具有骨内蓄积效应，针对Y元素的动物实验证明长期摄入Y元素将损伤肝肺功能。因此，为拓展Zr基非晶合金在生物领域的应用，研发无细胞毒性的成分是有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金及其制备方法和应用。该合金性能优异，制造成本低，可制造能力优秀，在生物医疗领域具有广阔的应用前景。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金，按照原子百分比计，该合金化学成分为：Zr 50.6-61％，Al 15.3-22.1％，Co 23.5-32％，Ag 0.01-6％。

按照原子百分比计，该合金具有最大非晶形成尺寸(6mm)的合金成分为：Zr52.53％，Al 18.23％，Co 27.24％，Ag 2％。

该合金的特征热力学参数如下：玻璃转变温度T_g：480～490℃，过冷液相区△T：48～65℃，初始熔化温度T_m：830～920℃；都能够形成3mm以上的非晶合金棒材。

该非晶合金具有良好的力学性能，压缩断裂强度：1.6～1.9GPa。

所述生物相容性优异的无镍Zr基块状非晶合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)以金属Zr、Al、Co和Ag为原料，在惰性气体保护下对原料进行加热熔炼，得到母合金锭；

(2)通过真空喷铸设备，将母合金锭重融后用惰性气体吹入金属模具中，冷却脱模后得到所述非晶合金。

步骤(1)中，各原料的纯度为工业纯或者试剂纯，Zr金属采用工业级海绵锆；惰性气体为氩气，加热熔炼的方法为电弧加热或感应加热。