[发明专利]一种粉末包套热挤压技术制备β型钛合金的方法和应用

说明书

本发明公开了一种粉末包套热挤压技术制备β型钛合金的方法和应用。该方法包括以下步骤：将预合金粉末装入热挤压包套中真空密封加热后，置于挤压模具中进行热挤压，再空冷至室温后得到热挤压样品；将热挤压样品去除包套进行热处理后，淬火至室温即制得β型钛合金。本发明利用粉末热挤压技术固结β型钛合金的预合金粉末，制备的β型钛合金具有致密度高(大于99.5％)、组织均匀、粉末界面结合好、基体晶粒细小(晶粒尺寸约2.9μm)、第二相弥散分布(粒径为0.5～0.9μm)等优点，可以有效提高材料的强度和塑性。本发明制得的β型钛合金可用作生物医用材料。

技术领域

本发明属于钛合金材料与粉末冶金制备技术领域，主要涉及一种粉末包套热挤压技术制备β型钛合金的方法和应用。

背景技术

目前生物医用金属材料主要有钛合金、不锈钢和钴基合金。由于钛及其合金具有优异的生物相容性、耐腐蚀性能和高比强度，其在牙科植入物、人体假肢等植入物方面应用广泛，因此也是三种常见生物医用金属植入材料中应用最广泛的。但是，纯钛的强度较低、耐磨损性能较差；Ti6Al4V合金作为植入物会释放Al元素和V元素，而Al和V会引起过敏反应和阿尔茨海默氏病。同时Ti6Al4V的弹性模量较高(约110GPa)，与人骨弹性模量(0.2～30GPa)相差较大，植入人体后容易引起“应力屏蔽”效应，长期植入会造成原有骨组织功能退化，导致植入失败。与以Ti6Al4V为代表的(α+β)型钛合金相比，β型钛合金具有更好的生物相容性、更低的弹性模量、更高的塑性，可以很好地满足人们对医用植入体的要求，因此是一种具有发展潜力的医用钛合金材料。

β型钛合金的添加元素主要为Nb、Ta、Zr、Sn、Mo等。目前，开发成功的β型钛合金相对于CP-Ti和Ti6Al4V弹性模量显著降低，如Ti24Nb4Zr8Sn、Ti13Nb13Zr、Ti35Nb7Zr5Ta和Ti15Mo的弹性模量分别为55GPa、79～84GPa、55GPa、78GPa。在通过设计合金成分降低钛合金弹性模量的过程中，许多钛合金的强度也不可避免地出现了下降。现今，如何在进一步降低β型钛合金的弹性模量的同时提高钛合金强度，是亟待解决的问题。

向β型钛合金中添加非金属元素Si可以有效细化晶粒，同时由于原子半径差距较大，Si可以很好地起固溶强化作用，从而提高钛合金强度。此外，Si是生物活性元素，无细胞毒性，有助于成骨细胞在植入物中的附着，不会影响细胞分化和引起炎症反应。但Si的添加可导致晶界上生成连续粗大的共晶硅化物，严重弱化晶界，降低材料的塑性和韧性(Intermetallics 46(2014)156-163)。粗大连续的共晶硅化物一经生成就难以通过热加工或热处理消除，从而影响钛合金的力学性能，限制了这类钛合金在医疗领域的应用。

因此，开发高强度、高塑性、低弹性模量以及具有良好生物相容性的β型钛合金材料是目前生物医用钛合金的发展趋势。

发明内容

针对现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种粉末包套热挤压技术制备β型钛合金的方法。

本发明的另一目的在于提供一种由上述方法制得的β型钛合金。

本发明的再一目的在于提供上述β型钛合金的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种粉末包套热挤压技术制备β型钛合金的方法，包括以下步骤：

(1)将β型钛合金的预合金粉末装入热挤压包套中，真空密封，得到热挤压坯料；

(2)将步骤(1)得到的热挤压坯料进行加热；

(3)将步骤(2)加热后的热挤压坯料置于挤压模具中进行热挤压，挤压后空冷至室温并去除包套得到热挤压样品；

(4)将步骤(3)得到的热挤压样品热处理，保温完成后淬火即制得β型钛合金。