专利名称：Ti-Mo-Sn-Al系钛合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种材料技术领域的钛合金及其制备方法，具体地说是一种 Ti-Mo-Sn-Al系钛合金及其制备方法。
技术背景目前临床上广泛应用的外科植入体金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛合 金等，其中钛合金具有高比强度、良好的耐腐蚀性以及生物相容性好等优点。钛 合金与不锈钢和钴基合金相比弹性模量较低，一定程度上降低了植入体与生物骨 骼弹性模量之间巨大差异所造成的应力屏蔽效应。因此，临床医学上作为人体硬 组织修复替代植入材料主要为钛合金。目前常用的钛合金植入体材料为oc+P双相 组织的Ti-6A1-4V合金，但研究表明这种合金在长期植入生物体后由于腐蚀和磨 损会释放出对生物体有害的V等元素，同时合金的弹性模量相对于生物骨骼弹性 模量还是偏大，长期使用仍会造成应力屏蔽效应。TiNi形状记忆合金具有优异 的形状记忆效应和超弹性特性，利用其形状记忆效应和超弹性特性的医疗器件在 临床医学上应用广泛，但合金中Ni元素对生物体同样存在生物毒性而引起医学 界的关注。因此，从九十年代开始各国科学家致力以研发含无毒性元素的低弹性 模量和具有形状记忆效应的(3型钛合金，并主要集中在了 Ti-Nb， Ti-Ta和Ti-Mo等钛合金体系。国际和国内已有多个有关低弹性模量和具有形状记忆效应、超弹 性特性的生物用(5型钛合金的专利申请，主要是成本相对高的Ti-Nb-Zr和 Ti-Nb-Ta系钛合金系列。经对现有技术的文献检索发现，Maeshima等在"Materials Science and Engineering (材料科学与工程)",2006; A438-440:844上发表了 "Effect of heat treatment on shape memory effect and superelasticity in Ti-Mo-Sn alloys (热处理对Ti-Mo-Sn钛合金体系形状记忆效应和超弹性的影响)"，该 文中提出应用真空电弧炉熔炼制备并经过后续热处理的Ti-Mo-Sn系合金具有优 良的形状记忆效应，用于替代目前Ti-Ni形状记忆合金，但其不足在于未能研究该合金体系弹性模量问题。总之，现有技术文献对于Ti-Mo系合金的研究主要是 合金的形状记忆效应，而较少涉及到合金的弹性模量，并且Ti-Mo系合金相对其 它体系的钛合金弹性模量偏高，不利于该体系合金作为生物植入体以及其它医疗 器件应用。 发明内容本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种Ti-Mo-Sn-Al系钛合金及 其制备方法。本发明合金是一种成本相对低、无生物毒性、低模量、高强度、超 弹性、耐腐蚀、生物相容性好和易加工成型的钛合金，该体系钛合金可广泛应用 于生物植入体以及其它医疗器件。本发明是通过以下技术方案实现的本发明所涉及的Ti-Mo-Sn-Al系钛合金，其组分及重量百分含量为 10-18%Mo， 0. 5-5%Sn， 0-2%A1，余量为Ti。所述Mo和Sn总重量百分含量在10. 5-23%。 所述Sn和Al总重量百分含量在0. 5-7%。本发明选择合金体系成分所对应的合金电子浓度控制在4. 10-4.25e/a范 围，从晶体的弹性稳定性分析，该合金成分处于P相向oc六方结构相转变临界点P 相区，其弹性模量为最低；合金元素的选择应使(3相有足够的稳定性，在合金的 加工和使用过程中避免合金有过多的高弹性模量的03以及a〃等亚稳相析出，使合 金弹性模量升高；采用钼、锡和铝等相对低成本、无生物毒性金属元素。 本发明所涉及的Ti-Mo-Sn-Al系钛合金的制备方法，包括以下步骤 第一步，采用真空自耗电弧炉熔炼方法获得成分均匀的Ti-Mo-Sn-Al系合金； 第二步，熔炼获得的Ti-Mo-Sn-Al系合金铸锭在750-950T温度范围需进行 热轧、热拔以及热镦在内的热加工处理，变形量为60-90%;并可以在室温下对 合金进行包括冷轧、冷拔和冷镦等冷加工处理，变形量为50-80%，以获得各种 不同规格的合金棒材和板材；第三步，经上述处理的Ti-Mo-Sn-Al系合金需在800-1000°C温度范围经过 0. 5-2小时固溶淬火处理，以获得单相(5组织；合金还可以在300-55CTC温度范围 经过l-4小时的时效热处理，进一步提高合金的强度。本发明与现有技术相比具有以下特点1)本发明合金加工性能好，特别是加工硬化率低，冷加工性能好；2)合金强度高并可在较大范围内调整，合金同 时具有低弹性模量和超弹性等特性，合金弹性模量比Ti-6A1-4V合金低40-50%， 合金的最大弹性应变量为3. 6%; 3)不含生物有毒性元素，合金的生物相容性优 良；4)与性能相当的Ti-Nb-Ta-Zr合金体系比较，本发明合金所含合金元素较 少，成本相对较低。由于本发明合金具有低弹性模量和超弹性等特性，可以广泛 应用于生物植入体以及其它医疗器件，包括人工骨、关节假体、骨科内固定器械、 口腔种植体等，以替代常规的或含有生物毒性元素的外科植入体金属材料和医疗 器件。
图1为本发明合金体系电子浓度与弹性模量关系示意图；图2为本发明固溶态Ti-12Mo-2Sn-lAl合金的X射线衍射图谱；图3为本发明Ti-12Mo-2Sn-lAl合金的纳米压痕载荷-位移(P-h)曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。实施例1以海绵钛、钼块和锡块为原料配制合金，各组分的设计质量分别为钛(Ti)87千克，钼(Mo) IO千克，锡(Sn) 3千克。将原料压制成电极后采用真空自耗 电弧炉熔炼。合金铸锭在75(TC的温度下进行变形量为60%的热轧成型，并经过 变形量为50%的冷轧成板材，800°C下固溶处理0. 5小时后进行淬火处理。上述 加工工艺按现有技术方法进行即可。经测试，该合金的拉伸强度为900MPa，弹 性模量为48GPa，弹性应变量为3. 5%。 实施例2以海绵钛、钼块、锡块和铝块为原料配制合金，各组分的设计质量分别为 钛(Ti) 85千克，钼(Mo) 12千克，锡(Sn)2千克，铝(A1) 1千克。将原料压制 成电极后采用真空自耗电弧炉熔炼。合金铸锭在85(TC的温度下进行变形量为 90%热轧成型，并经过变形量为80%冷轧成板材，900°C下固溶处理1小时后进行 淬火处理。上述加工工艺按现有技术方法进行即可。该合金的电子浓度为4. 11，处于图1所示相转变临界点附近的P相区，具有低的弹性模量；图2为该合金的 X射线衍射图谱，说明合金为单一 0组织。经测试，该合金的拉伸强度为920MPa， 弹性模量为51GPa，弹性应变量为3. 6%。 实施例3以海绵钛、钼块、锡块和铝块为原料配制合金，各组分的设计质量分别为 钛(Ti) 85千克，钼(Mo) 12千克，锡(Sn)2千克，铝(A1) 1千克。将原料压制 成电极后采用真空自耗电弧炉熔炼。合金铸锭在850T的温度下进行变形量为 80%热拔成型，并经过变形量为80%冷拔轧成线材，900°C下固溶处理1小时后进 行淬火处理，并在380T时效处理2小时。上述加工工艺按现有技术方法进行即 可。图3为经和未经时效处理合金的纳米压痕载荷-位移(P-h)曲线，说明经时 效处理的合金与固溶处理的合金相比，弹性模量提高，弹性回复率则降低。经测 试，该合金的拉伸强度为1050MPa，弹性模量为62GPa，弹性应变量为2. 1%。实施例4以海绵钛、钼块、锡块和铝块为原料配制合金，各组分的设计质量分别为 钛(Ti) 83.5千克，钼(Mo) 14千克，锡(Sn)0.5千克，铝(A1) 2千克。将原料 压制成电极后采用真空自耗电弧炉熔炼。合金铸锭在90(TC的温度下进行变形量 为70%热轧成型，IOO(TC下固溶处理1小时后进行淬火处理。上述加工工艺按现 有技术方法进行即可。经测试，该合金的拉伸强度为lOOOMPa，弹性模量为60GPa， 弹性应变量为1.8%。实施例5以海绵钛、钼块和铝块为原料配制合金，各组分的设计质量分别为钛(Ti) 76.5千克，钼(Mo) 18千克，锡(Sn)5千克，铝(A1) 0. 5千克。将原料压制成电 极后采用真空自耗电弧炉熔炼。合金铸锭在IOO(TC的温度下进行变形量为70% 热轧成型，95(TC下固溶处理2小时后进行淬火处理。上述加工工艺按现有技术 方法进行即可。经测试，该合金的拉伸强度为1020MPa，弹性模量为68GPa，弹 性应变量为0. 9%。
权利要求
1.一种Ti-Mo-Sn-Al系钛合金，其特征在于各组分及重量百分含量为Mo10-18％，Sn0.5-5％，Al0-2％，余量为Ti。
全文摘要
本发明涉及一种材料技术领域的Ti-Mo-Sn-Al系钛合金及其制备方法，Ti-Mo-Sn-Al系钛合金组分及重量百分比含量为10-18％Mo，0.5-5％Sn，0-2％Al，余量为Ti。方法为采用真空自耗电弧炉熔炼方法获得成分均匀的Ti-Mo-Sn-Al系合金；在750-950℃温度范围对合金进行热加工处理，然后在室温下对合金进行冷加工处理；再在800-1000℃温度范围经过固溶淬火处理。本发明合金具有相对低的成本；不含有毒元素，生物相容性优良；合金弹性模量比Ti-6Al-4V合金低40-50％，强度高并可在较大范围内调整；合金的最大弹性应变量为3.6％；冷热加工成型性好。
文档编号C22C14/00GK101225489SQ20081003222
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月3日 优先权日2008年1月3日
发明者辉 刑, 强 姚, 坚 孙, 郭文渊 申请人:上海交通大学