[发明专利]一种高强低模生物医用锆合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强低模生物医用锆合金及其制备方法；该制备方法包括合金成分设计、合金熔炼、雾化制粉、增材制造成形、热处理；其中设计高强低模生物医用锆合金成分组成为Zr 77.5at.％，Nb 10at.％，Ti 10at.％，Ta 2.5at.％；本发明通过设计一种高强低模生物医用β‑型锆合金；通过热处理工艺促进ω相在晶内弥散析出，提高合金抗拉强度。

技术领域

本发明涉及锆合金材料与增材制造技术领域，特别涉及一种高强低模生物医用锆合金植入物的增材制造方法。

背景技术

近年来，随着人类生活水平的发展和医疗水平的提高，人们对金属植入材料的要求也随之提高，因此科研人员对于可植入的生物硬组织材料进行了深入研究。金属植入材料要保证良好的生物相容性、高强度。目前常用的植入金属材料多为不锈钢、钛合金、钴铬合金等，其中钛合金由于其良好的生物相容性以及机械性能得快速发展，然而钛合金弹性模量远高于人体骨骼的弹性模量，不锈钢和钴铬合金在人体中会释放金属离子，对人体造成影响。锆合金具有较好的强度、塑性、生物相容性，同时具备较低的磁化率，目前广泛应用于核能、医疗等领域，是一种新兴的生物医疗材料作为生物医用领域的新型材料，需要满足各种复杂的使用环境，能承受较高的抗拉强度，同时医疗植入物零部件形状复杂，需寻求一种新型成形工艺方法。

目前金属的3D打印作为一种新型的制造工艺，改变了传统减材加工工艺方式。具有周期短、高柔性、快速响应等特点。锆合金因其良好的可焊性，适用于金属的增材制造领域，且打印出的机械性能达到甚至优于锻件水平。整个过程方便快捷，能够节省大量人力以及时间，同时材料利用率高，通过逐层堆积的方法可成型形状复杂的零部件。但是由于其成形过程中不均匀的热循环，会对其机械性能造成影响。

综上所述，亟需研究一种优异力学性能的锆合金材料，并基于目前热处理工艺有效提高增材制造锆合金机械性能方式的不足，开发一种具有高强低模生物医用合金材料具有较大的研究价值。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种高强低模生物医用锆合金材料。

本发明的另一目的在于提供一种增材制造成形锆合金的成形方法。

本发明的再一目的在于提供一种控制ω相析出的热处理工艺，提高试样抗拉强度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高强低模生物医用锆合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)合金成分设计：本发明中，通过严格控制各元素的含量，利用合金化，Nb和Ti元素与Zr形成无限固溶体，从而实现固溶强化，能够有效提高锆合金的强度，同时Ta元素具有高生物相容性，可作为人体植入材料，另外Nb、Ti、Ta均为β相稳定元素，可将高温β相保留至室温，有利于降低合金弹性模量，提高合金的耐腐蚀性和塑性，依据锆合金二元相图，确定高强低模生物医用锆合金的成分组成为Zr 77.5at.％，Nb 10at.％，Ti 10at.％，Ta2.5at.％，按照成分组成以海绵锆、海绵钛、铌块、钽丝为原材料配制合金组分；

(2)合金熔炼：把Zr、Nb、Ti、Ta各元素按步骤(1)含量进行配比，采用水冷铜坩埚非自耗真空电弧炉对合金进行熔炼，熔炼结束后，采用坩埚底部通循环冷却水的方式进行冷却，制备合金棒材；

(3)雾化制粉：采用旋转电极感应气雾化设备对合金棒材进行雾化，制备锆合金粉末并进行筛分处理，获得适用于增材制造成形的颗粒尺寸范围的球形粉末；

(4)增材制造成形：采用选区激光熔化设备进行增材制造成形，得到医用锆合金；关键成型工艺参数激光功率：180-250W，扫描速度为：600-1100mm/s，扫描间距0.06-0.11mm，扫描层厚0.3mm，成型过程氧含量控制在400-600ppm；