专利名称：一种生物医用β-钛合金材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种生物医用β-钛合金材料及制备方法，特别是一种高铌含量的生物医用β -钛合金材料及制备方法，属于钛合金材料制备技术领域。
背景技术：
与不锈钢和钴铬钥合金等传统的医用金属材料相比，钛及钛合金以其良好的综合力学性能、耐蚀性以及优异的生物相容性，逐渐成为矫形外科、种植以及口腔修复等医学领域的首选材料。生物医用钛及钛合金的发展可分为三个时代，第一个时代以纯钛(α型)和Ti-6A1-4V ( α+β型)为代表。20世纪50年代，人们开始利用纯钛来制造接骨板和螺钉等，作为骨科内固定材料应用于临床。虽然纯钛在生理环境中具有良好的抗腐蚀性能和生 物相容性，但其强度较低，耐磨损性能较差，限制了它在承载较大部位的应用。相比之下，Ti-6A1-4V具有较高的强度和较好的加工性能，这种合金最初是为航天应用设计的，70年代后期被广泛用作外科植入材料和修复材料，如髋关节，膝关节等。同时，Ti-3A1-2.5V也在临床上被用作股骨和胫骨替换材料。但这类合金含有V和Al两种元素，V容易聚集在骨、肝、肾、脾等器官，具有很强的细胞毒性，另外Al元素也存在潜在的毒性，长期植入会引起骨软化、贫血和神经紊乱等症状，而且这类合金耐蚀性相对较差，弹性模量较高( IlOGPa),相对于人骨的弹性模量(10 40GPa)偏闻,这种种植体与骨之间弹性模量的不匹配，将使得载荷不能由种植体很好地传递到相邻骨组织，出现“应力遮挡”现象，从而导致种植体周围出现骨吸收，最终引起种植体松动或断裂，造成种植体失败。第二个时代(80年代中期)是以瑞士和德国相继开发的(α+β)型Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2. 5Fe合金为代表。这类合金以无毒元素Nb、Fe替代有毒元素V，消除了 V元素对人体的毒副作用，并且强度有所提高。但是其仍含有Al元素，弹性模量为约为105GPa，相对于人骨仍然偏高。因此，开发研究含无毒元素、生物相容性更好、弹性模量更低的高强度新型医用钛合金，以满足临床对植入体的要求，成为第三代医用钛合金材料的主要研制目标。90年代初期，美国和日本开始选用Nb，Ta，Zr, Mo和Sn等无毒元素替代V和Al，开发了一系列无毒性、低弹性模量医用β型钛合金。美国开发的合金主要有Ti-13Nb-13Zr、Ti-12Mo-6Zr-2Fe (TMZF)、Ti-15Mo 及 Ti-35Nb-5Ta-7Zr (TNTZ)等。日本开发的合金主要有Ti-29Nb_13Ta-4. 6Zr、Ti-15Zr-4Nb-2Ta-0. 2Pd 和 Ti-15Sn-4Nb-2Ta_0. 2Pd 等。相对于第一代和第二代医用钛合金，这类新型β型钛合金的耐腐蚀性能和生物相容性得到了明显的提高，而且弹性模量下降了 30 50GPa，大概在55 85GPa范围内。Ti-35Nb_5Ta_7Zr合金的弹性模量虽然能降低到55GPa时，但此时合金的强度却不到600MPa。并且该合金含有大量的难熔金属如Nb和Ta，尤其是Ta的熔点高达2996°C，密度高达16. 68g/cm3,给熔炼和加工带来很大的困难，并且Ta的价格比较贵，从而增加了材料的成本。我国在医用钛合金材料的研发方面起步比较晚，1972年开始从事钛及钛合金在医学特别是在矫形外科方面的研究与应用，80年代研制成功Ti-Ni功能材料，“八五 九五”期间，仿制了 Τ -5Α1-2. 5Fe 和 Ti_6Al_7Nb，开发了 Ti-2. 5A1-2. 5Mo_2. 5Zr (TAMZ)合金，“十五”期间，开始研制β型钛合金。其中最具有代表性的是中科院金属所设计开发的Ti-24Nb-4Zr-7. 9Sn (Τ 2448)和西北有色金属研究院开发的Ti-(15 25)Nb-(3)Mo-(3 5)Zr (TLE)和 Ti-(15 25)Nb-(3 6)Mo-(3 5)Zr-(l 2)Sn(TLM) β 型钛合金。TLM和TLE合金的强度在580 lOOOMPa，弹性模量在50 90GPa之间，相对于人骨，弹性模量仍然偏高。Ti2448合金弹性模量较低，弹性好，较适合制作弹性骨板和动态固定器。研究开发一种模量可调、强度高、具有多功能用途的新型β型钛合金生物医用材料及配套加工技术，是未来医用钛合金的一个重要的发展方向。
发明内容
针对现有生物医用钛合金存在的弹性模量偏高，含有有毒元素，用途单一化的缺点，本发明提供了一种弹性模量更接近人体骨骼弹性模量，不含有毒元素的高铌含量的生 物医用钛合金材料及制备方法。本发明一种生物医用β_钛合金材料，其合金成分范围以质量百分比计为Nb 30 40%，Zr 5 15%,Sn I 10%，O O. I O. 3%，余量为Ti，各组分质量百分之和为100%。本发明一种生物医用钛合金材料的制备方法，包括以下步骤步骤一配料按照各组分的质量百分比计为(30 40%) Nb- (5 15%) Zr-(I 10%) Sn- (O. I O. 3%)0，余量为Ti进行配料；步骤二 合金制备将按照设计的合金成分配制好的配料在液压机上压制成电极，再将电极放入真空自耗电弧炉内熔炼2-3次，铸锭，冷却至室温，制得生物医用β-钛合金锭；熔炼时炉内真空度大于 I. 33 X KT2Pa ；。本发明一种生物医用钛合金材料的制备方法，Ti是以零级别的海绵Ti和TiO2的形式加入，Zr是以99. 9%海绵Zr形式加入，高熔点元素Nb、易挥发元素Sn以Ti-Nb、Ti-Sn中间合金形式加入，合金中氧的含量通过TiO2的含量来控制。本发明一种生物医用β_钛合金材料的制备方法，步骤二中，合金熔炼温度为1600-1700°C，熔炼时间为 30-60min。本发明一种生物医用β -钛合金材料的制备方法，生物医用β -钛合金锭放入Ar气氛的真空炉内进行均匀化退火，均匀化退火温度为900-1000°C，时间为8-12小时。本发明一种生物医用钛合金材料的制备方法，均化退火后的生物医用钛合金锭表面刷涂一层高温保护涂料，自然风干后，在电阻炉中800-900°C保温60-90min，然后开坯锻造，得到锻坯；所述锻坯经热轧或冷轧制备成板材；终锻温度控制在800°C以上。本发明一种生物医用钛合金材料的制备方法，热轧前，对锻坯表面刷涂一层高温保护涂料，热轧温度为800-900°C，保温时间为1-2小时，热轧总变形量为60-70%。本发明一种生物医用钛合金材料的制备方法，冷轧总变形量为30%_80%;冷轧板表面刷涂一层高温保护涂料，于800 900°C进行固溶处理60-90min后水淬，于400-600°C进行时效处理IOmin 5h后水冷。本发明一种生物医用β -钛合金材料的制备方法，所述高温保护涂料为氧化铝或氮化硼。本发明一种生物医用钛合金材料的制备方法，制备的生物医用钛合金材料的弹性模量为Ε=40 68GPa，屈服强度为σ。2=580 815MPa，抗拉强度为o b=750 1075MPa，伸长率为ε =12 48%，断面收缩率为36 65%。本发明制备的β -钛合金材料的弹性模量Ε=40 68GPa，屈服强度σ ^ 2=580 815MPa，抗拉强度σ b=750 1075MPa，伸长率ε =12 48%,断面收缩率36 65%，其弹性模量更接近于人骨的弹性模量，强度相对于TLM和TLE合金有所提高。本发明合金选用无毒元素Ti、Nb、Zr和Sn。Nb、Zr和Sn元素在Ti中的合金化效应是使其形成介稳定的β型钛合金，从而可以通过不同的加工和热处理工艺获得不同的 微观组织，以调控合金的性能，如强度和弹性模量等。本发明与欧美、中科院金属所以及西北有色院所开发合金相比本发明合金的Nb含量提高至30 40%，目的是为获得过饱和度更大的Ti-Nb系固溶体，所形成的Ti基连续固溶体为置换型固溶体，溶质组元含量的增加，增大了点阵畸变，有利于降低合金的弹性模量，以及通过后续时效处理提高合金强度；增加Zr含量的目的与Nb相同；以Sn代替Ta，不仅降低成本，而且降低Sn的含量，将减小铸锭中生成非平衡相的倾向；增加O含量，与钛形成间隙式固溶体，可进一步稳定β相，具有体心立方结构的β相更易变形，并且O与Zr形成的原子团簇可阻碍位错增殖，增大合金的冷变形能力，以实现大变形量冷加工。
附图I为实施例I制备的合金900°C均匀化退火并淬火后合金的X射线衍射谱。由图I可见，合金主要由体心立方结构的β相组成。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述，本发明实施例中，对合金进行微观组织及性能测试方法是利用DSC测合金的相变温度； 利用XRD测物相结构；利用金相显微镜、扫面电子显微镜和透射电子显微镜对合金进行显微组织观察。最后利用MTS万能拉伸试验机测试拉伸力学性能、弹性模量。实施例I :I、配料Ti-36Nb-10Zr-2Sn-0. 20合金，其中Ti以海绵钛、Zr以海绵锆、高熔点元素Nb和易挥发元素Sn都分别采用Ti-52Nb和Ti_80Sn中间合金的形式来加入，O的含量通过海绵Ti中氧的含量来控制。按合金成分质量百分比配料。2、熔炼将配好的原料在液压机上压制成电极，在真空自耗电弧炉进行2次熔炼，每次熔炼前真空度不低于10_2Pa，制得合金铸锭。充分冷却后取样进行差热分析和金相分析，测得合金β — α相转变温度，采用化学法分析铸锭是否存在成分偏析。再在真空炉内进行均匀化退火(加Ar气保护)，均匀化温度为900°C，时间为12h。随后对铸锭进行扒皮除去外面的氧化层。3、开坯锻造锻前先将铸锭表面刷涂一层高温保护涂料，自然风干后，在电阻炉中900°C保温90min，然后在自由锻造机上进行开坯锻造，终锻温度控制在800°C以上。得到500mm X 350mm X 50mm的板还,待板还冷却后对其进行表面修磨。利用线切割机将板还切割为尺寸为100_X 350_X 50mm的板还一块和尺寸为200_X 350_X 50mm的板还两块，留取IOOmmX 350mmX 50mm的板坯进行微观组织与力学性能分析，得到数据见表I。另外两块表面都刷上高温保护涂层，自然风干，留着继续进行热轧或冷轧处理。4、热轧将其中一块200mm X 350mm X 50mm的锻坯在电阻炉中进行850°C/60min退火，随后立即进行热轧，轧制方向平行于200mm长度方向，不进行中间退火，轧制6个道次后得到厚度为20mm的板材。随后将热轧板切割后，对其进行微观组织与力学性能分析，得 到数据见表I。5、冷轧将另外一块200mmX 350mmX 50mm的锻坯未经中间退火处理条件下进行
冷轧，轧至最终厚度为10mm，总变形量为80%。随后将冷轧板切割，留取一部分试样用来进行微观组织与力学性能分析，得到数据同样示于表I。其余的用来进行接下来的固溶热处理。6、固溶热处理将冷轧板在箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶温度为800_830°C，保温时间为O. 5-1. 5h，水淬。切割后留取一部分试样用来进行微观组织与力学性能分析，得到数据同样示于表I。其余的用来进行接下来的时效热处理。7、时效热处理人工时效在箱式电阻炉中进行，选取三个不同的时效制度如下，考察时效温度和时效时间对合金微观组织和性能的影响。得到数据同样示于表I。a)时效温度为400°C，保温时间为lOmin，lh, 5h，水淬。b)时效温度为500°C，时效时间为lOmin，lh，5h，水淬。c)时效温度为600°C，时效时间为lOmin，lh，5h，水淬。实施例2 I、配料Ti-36Nb-10Zr-5Sn-0. 30合金，其中Ti以海绵钛、Zr以海绵锆、高熔点元素Nb和易挥发元素Sn都分别采用Ti-52Nb和Ti_80Sn中间合金的形式来加入，O的含量通过海绵Ti中氧的含量来控制。按合金成分质量百分比配料。2、熔炼将配好的原料在液压机上压制成电极，在真空自耗电弧炉进行2次熔炼，每次熔炼前真空度不低于10_2Pa，制得合金铸锭。充分冷却后取样进行差热分析和金相分析，测得合金β — α相转变温度，采用化学法分析铸锭是否存在成分偏析。再在真空炉内进行均匀化退火(加Ar气保护)，均匀化温度为950°C，时间为12h。随后对铸锭进行扒皮除去外面的氧化层。3、开坯锻造锻前先将铸锭表面刷涂一层高温保护涂料，自然风干后，在电阻炉中900°C保温90min，然后在自由锻造机上进行开坯锻造，终锻温度控制在800°C以上。得到400mmX250mmX40mm的板还,待板还冷却后对其进行表面修磨。利用线切割机将板还切割为尺寸为100_X250_X40mm的板还一块和尺寸为200mmX250mmX40mm的板还两块，留取200mmX250mmX40mm的板坯进行微观组织与力学性能分析，得到数据见表2。另外两块表面都刷上高温保护涂层，自然风干，留着继续进行热轧或冷轧处理。
4、热轧将其中一块200_X250_X40mm的锻坯在电阻炉中进行850°C /60min退火，随后立即进行热轧，轧制方向平行于200mm长度方向，不进行中间退火，轧制5个道次后得到厚度为20mm的板材。随后将热轧板切割后，对其进行微观组织与力学性能分析，得到数据见表2。5、冷轧将另外一块200mmX 250mmX 40mm的锻还未经中间退火处理条件下进行冷轧，轧至最终厚度为10mm，总变形量为75%。随后将冷轧板切割，留取一部分试样用来进行微观组织与力学性能分析，得到数据同样示于表2。其余的用来进行接下来的固溶热处理。6、固溶热处理将冷轧板在箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶温度为820_850°C，保温时间为O. 5-1. 5h，水淬。切割后留取一部分试样用来进行微观组织与力学性能分析，得到数据同样示于表2。其余的用来进行接下来的时效热处理。7、时效热处理人工时效在箱式电阻炉中进行，选取三个不同的时效制度如下，考察时效温度和时效时间对合金微观组织和性能的影响。得到数据同样示于表2。a)时效温度为400°C，保温时间为lOmin，lh, 5h，水淬。b)时效温度为500°C，时效时间为lOmin，lh，5h，水淬。c)时效温度为600°C，时效时间为lOmin，lh，5h，水淬。实施例3 I、配料Ti-35Nb-10Zr-8Sn-0. 20合金，其中Ti以海绵钛、Zr以海绵锆、高熔点元素Nb和易挥发元素Sn都分别采用Ti-52Nb和Ti_80Sn中间合金的形式来加入，O的含量 通过海绵Ti中氧的含量来控制。按合金成分质量百分比配料。2、熔炼将配好的原料在液压机上压制成电极，在真空自耗电弧炉进行2次熔炼，每次熔炼前真空度不低于10_2Pa，制得合金铸锭。充分冷却后取样进行差热分析和金相分析，测得合金β — α相转变温度，采用化学法分析铸锭是否存在成分偏析。再在真空炉内进行均匀化退火(加Ar气保护)，均匀化温度为1000°C，时间为12h。随后对铸锭进行扒皮除去外面的氧化层。3、开坯锻造锻前先将铸锭表面刷涂一层高温保护涂料，自然风干后，在电阻炉中900°C保温90min，然后在自由锻造机上进行开坯锻造，终锻温度控制在800°C以上。得到400mmX250mmX40mm的板还,待板还冷却后对其进行表面修磨。利用线切割机将板还切割为尺寸为100_X250_X40mm的板还一块和尺寸为200mmX250mmX40mm的板还两块，留取200mmX250mmX40mm的板坯进行微观组织与力学性能分析，得到数据见表3。另外两块表面都刷上高温保护涂层，自然风干，留着继续进行热轧或冷轧处理。4、热轧将其中一块200_X250_X40_的锻坯在电阻炉中进行850°C /60min退火，随后立即进行热轧，轧制方向平行于200mm长度方向，不进行中间退火，轧制5个道次后得到厚度为20mm的板材。随后将热轧板切割后，对其进行微观组织与力学性能分析，得到数据见表3。5、冷轧将另外一块200mmX 250mmX40mm的锻还未经中间退火处理条件下进行冷轧，轧至最终厚度为10mm，总变形量为75%。随后将冷轧板切割，留取一部分试样用来进行微观组织与力学性能分析，得到数据同样示于表3。其余的用来进行接下来的固溶热处理。
6、固溶热处理将冷轧板在箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶温度为830_860°C，保温时间为O. 5-1. 5h，水淬。切割后留取一部分试样用来进行微观组织与力学性能分析，得到数据同样示于表3。其余的用来进行接下来的时效热处理。7、时效热处理人工时效在箱式电阻炉中进行，选取三个不同的时效制度如下，考察时效温度和时效时间对合金微观组织和性能的影响。得到数据同样示于表3。a)时效温度为400°C，保温时间为lOmin，lh, 5h，水淬。b)时效温度为500°C，时效时间为lOmin，lh，5h，水淬。c)时效温度为600°C，时效时间为lOmin，lh，5h，水淬。实施例4 I)配料Ti-35Nb-8Zr-5Sn-0. 30合金，其中Ti以海绵钛、Zr以海绵锆、高熔点元 素Nb和易挥发元素Sn都分别采用Ti-52Nb和Ti_80Sn中间合金的形式来加入，O的含量通过海绵Ti中氧的含量来控制。按合金成分质量百分比配料。2)熔炼将配好的原料在液压机上压制成电极，在真空自耗电弧炉进行2次熔炼，每次熔炼前真空度不低于10_2Pa，制得合金铸锭。充分冷却后取样进行差热分析和金相分析，测得合金β — α相转变温度，采用化学法分析铸锭是否存在成分偏析。再在真空炉内进行均匀化退火(加Ar气保护)，均匀化温度为1000°C，时间为12h。随后对铸锭进行扒皮除去外面的氧化层。3)开坯锻造锻前先将铸锭表面刷涂一层高温保护涂料，自然风干后，在电阻炉中900°C保温90min，然后在自由锻造机上进行开坯锻造，终锻温度控制在800°C以上。得到400mmX250mmX40mm的板还,待板还冷却后对其进行表面修磨。利用线切割机将板还切割为尺寸为100_X250_X40mm的板还一块和尺寸为200mmX250mmX40mm的板还两块，留取200mmX 250mmX 40mm的板坯进行微观组织与力学性能分析，得到数据见表4。另外两块表面都刷上高温保护涂层，自然风干，留着继续进行热轧或冷轧处理。4)热轧将其中一块200mmX250mmX40mm的锻坯在电阻炉中进行850°C /60min退火，随后立即进行热轧，轧制方向平行于200mm长度方向，不进行中间退火，轧制5个道次后得到厚度为20mm的板材。随后将热轧板切割后，对其进行微观组织与力学性能分析，得到数据见表4。5)冷轧将另外一块200mmX 250mmX40mm的锻坯未经中间退火处理条件下进行冷轧，轧至最终厚度为10mm，总变形量为75%。随后将冷轧板切割，留取一部分试样用来进行微观组织与力学性能分析，得到数据同样示于表4。其余的用来进行接下来的固溶热处理。6)固溶热处理将冷轧板在箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶温度为850_880°C，保温时间为O. 5-1. 5h，水淬。切割后留取一部分试样用来进行微观组织与力学性能分析，得到数据同样示于表4。其余的用来进行接下来的时效热处理。7)时效热处理人工时效在箱式电阻炉中进行，选取三个不同的时效制度如下，考察时效温度和时效时间对合金微观组织和性能的影响。得到数据同样示于表4。a)时效温度为400°C，保温时间为lOmin，lh，5h，水淬。b)时效温度为500°C，时效时间为lOmin，lh，5h，水淬。c)时效温度为600°C，时效时间为10min，lh，5h，水淬。
实施例5 I)配料Ti-35Nb-5Zr-10Sn-0. 20合金，其中Ti以海绵钛、Zr以海绵锆、高熔点元素Nb和易挥发元素Sn都分别采用Ti-52Nb和Ti_80Sn中间合金的形式来加入，O的含量通过海绵Ti中氧的含量来控制。按合金成分质量百分比配料。2)熔炼将配好的原料在液压机上压制成电极，在真空自耗电弧炉进行2次熔炼，每次熔炼前真空度不低于10_2Pa，制得合金铸锭。充分冷却后取样进行差热分析和金相分析，测得合金β — α相转变温度，采用化学法分析铸锭是否存在成分偏析。再在真空炉内进行均匀化退火(加Ar气保护)，均匀化温度为1000°C，时间为12h。随后对铸锭进行扒皮除去外面的氧化层。
3)开坯锻造锻前先将铸锭表面刷涂一层高温保护涂料，自然风干后，在电阻炉中900°C保温90min，然后在自由锻造机上进行开坯锻造，终锻温度控制在800°C以上。得到400mmX250mmX40mm的板还,待板还冷却后对其进行表面修磨。利用线切割机将板还切割为尺寸为100_X 250_X40mm的板还一块和尺寸为200mmX 250mmX40mm的板还两块，留取200mmX 250mmX 40mm的板坯进行微观组织与力学性能分析，得到数据见表5。另外两块表面都刷上高温保护涂层，自然风干，留着继续进行热轧或冷轧处理。4)热轧将其中一块200_X250_X40_的锻坯在电阻炉中进行850°C /60min退火，随后立即进行热轧，轧制方向平行于200mm长度方向，不进行中间退火，轧制5个道次后得到厚度为20mm的板材。随后将热轧板切割后，对其进行微观组织与力学性能分析，得到数据见表5。5)冷轧将另外一块200mmX 250mmX40mm的锻坯未经中间退火处理条件下进行冷轧，轧至最终厚度为10mm，总变形量为75%。随后将冷轧板切割，留取一部分试样用来进行微观组织与力学性能分析，得到数据同样示于表5。其余的用来进行接下来的固溶热处理。6)固溶热处理将冷轧板在箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶温度为860_890°C，保温时间为O. 5-1. 5h，水淬。切割后留取一部分试样用来进行微观组织与力学性能分析，得到数据同样示于表5。其余的用来进行接下来的时效热处理。7)时效热处理人工时效在箱式电阻炉中进行，选取三个不同的时效制度如下，考察时效温度和时效时间对合金微观组织和性能的影响。得到数据同样示于表5。a)时效温度为400°C，保温时间为lOmin，lh, 5h，水淬。b)时效温度为500°C，时效时间为lOmin，lh，5h，水淬。c)时效温度为600°C，时效时间为lOmin，lh，5h，水淬。实施例6 I)配料Ti-35Nb-5Zr-5Sn-0. 30合金，其中Ti以海绵钛、Zr以海绵锆、高熔点元素Nb和易挥发元素Sn都分别采用Ti-52Nb和Ti_80Sn中间合金的形式来加入，O的含量通过海绵Ti中氧的含量来控制。按合金成分质量百分比配料。2)熔炼将配好的原料在液压机上压制成电极，在真空自耗电弧炉进行2次熔炼，每次熔炼前真空度不低于10_2Pa，制得合金铸锭。充分冷却后取样进行差热分析和金相分析，测得合金β — α相转变温度，采用化学法分析铸锭是否存在成分偏析。再在真空炉内进行均匀化退火(加Ar气保护)，均匀化温度为1000°C，时间为12h。随后对铸锭进行扒皮除去外面的氧化层。3)开坯锻造锻前先将铸锭表面刷涂一层高温保护涂料，自然风干后，在电阻炉中900°C保温90min，然后在自由锻造机上进行开坯锻造，终锻温度控制在800°C以上。得到400mmX250mmX40mm的板还,待板还冷却后对其进行表面修磨。利用线切割机将板还切割为尺寸为10OmmX 250mmX 40mm的板还一块和尺寸为200mmX 250mmX 40mm的板还两块，留取200mmX 250mmX 40mm的板坯进行微观组织与力学性能分析，得到数据见表6。另外两块表面都刷上高温保护涂层，自然风干，留着继续进行热轧或冷轧处理。4)热轧将其中一块200_X250_X40_的锻坯在电阻炉中进行850°C /60min退火，随后立即进行热轧，轧制方向平行于200mm长度方向，不进行中间退火，轧制5个道次后得到厚度为20mm的板材。随后将热轧板切割后，对其进行微观组织与力学性能分析，得到数据见表6。 5)冷轧将另外一块200mmX250mmX40mm的锻还未经中间退火处理条件下进行冷轧，轧至最终厚度为10mm，总变形量为75%。随后将冷轧板切割，留取一部分试样用来进行微观组织与力学性能分析，得到数据同样示于表6。其余的用来进行接下来的固溶热处理。6)固溶热处理将冷轧板在箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶温度为870_900°C，保温时间为O. 5-1. 5h，水淬。切割后留取一部分试样用来进行微观组织与力学性能分析，得到数据同样示于表6。其余的用来进行接下来的时效热处理。7)时效热处理人工时效在箱式电阻炉中进行，选取三个不同的时效制度如下，考察时效温度和时效时间对合金微观组织和性能的影响。得到数据同样示于表6。a)时效温度为400°C，保温时间为lOmin，lh，5h，水淬。b)时效温度为500°C，时效时间为lOmin，lh，5h，水淬。c)时效温度为600°C，时效时间为lOmin，lh，5h，水淬。获得的弹性模量弹性模量E=40 68GPa，屈服强度σ ^ 2为580 815MPa，抗拉强度σ b=750 1075MPa，伸长率ε =12 48%，断面收缩率38 65%。表I实施例I制备得到的钛合金不同加工和热处理状态下的性能数据
权利要求
1.一种生物医用β-钛合金材料，其特征在于其合金成分范围以质量百分比计为Nb 30 40%,Zr 5 15%，Sn I 10%， O O. I O. 3%，余量为Ti，各组分质量百分之和为100%。
2.按照权利要求I所述一种高铌含量的生物医用β_钛合金材料的制备方法，包括以下步骤 步骤一配料 按照各组分的质量百分比计为(30 40%) Nb- (5 15%) Zr-(I ~ 10%) Sn- (O. I O.3%) O，余量为Ti进行配料； 步骤二 合金制备 将按照设计的合金成分配制好的配料在液压机上压制成电极，再将电极放入真空自耗电弧炉内熔炼2-3次，铸锭，冷却至室温，制得生物医用β-钛合金锭；熔炼时炉内真空度大于 I. 33 X IO^2Pa0
3.按照权利要求2所述一种生物医用β_钛合金材料的制备方法，其特征在于Ti是以零级别的海绵Ti和TiO2的形式加入，Zr是以99. 9%海绵Zr形式加入，高熔点元素Nb、易挥发元素Sn以Ti-Nb、Ti-Sn中间合金形式加入，合金中氧的含量通过TiO2的含量来控制。
4.按照权利要求2所述一种生物医用β-钛合金材料的制备方法法，其特征在于步骤二中，合金熔炼温度为1600-1700°C，熔炼时间为30-60min。
5.按照权利要求3或4所述一种生物医用β-钛合金材料的制备方法，其特征在于生物医用钛合金锭放入Ar气氛的真空炉内进行均匀化退火，均化退火温度为900-1000°C，时间为 8-12 小时。
6.按照权利要求5所述一种生物医用β-钛合金材料的制备方法，其特征在于均匀化退火后的生物医用钛合金锭表面刷涂一层高温保护涂料，自然风干后，在电阻炉中800-90(TC保温60-90min，然后开坯锻造，得到锻坯；所述锻坯经热轧或冷轧制备成板材；终锻温度控制在800°C以上。
7.按照权利要求6所述一种生物医用β-钛合金材料的制备方法，其特征在于热轧前，对锻坯表面刷涂一层高温保护涂料，热轧温度为800-900°C，保温时间为1-2小时，热轧总变形量为60-70%。
8.按照权利要求6所述一种生物医用β-钛合金材料的制备方法，其特征在于冷轧总变形量为30%-80% ;冷轧板表面刷涂一层高温保护涂料，于800 900°C进行固溶处理60-90min后水淬，于400_600°C进行时效处理IOmin 5h后水冷。
9.按照权利要求6、7或8任意一项所述一种生物医用β-钛合金材料的制备方法，其特征在于所述高温保护涂料为氧化铝或氮化硼。
10.按照权利要求6、7或8任意一项所述一种生物医用β-钛合金材料的制备方法，其特征在于制备的生物医用β_钛合金材料的弹性模量为Ε=40 68GPa，屈服强度为σ 0 2=580 815MPa，抗拉强度为σ b=750 1075MPa，伸长率为ε =12 48%，断面收缩率为36 65%。
全文摘要
本发明涉及一种生物医用β-钛合金材料及制备方法，属于高铌含量钛合金材料制备技术领域。该合金的成分范围以质量百分比计为(30～40%)Nb-(5～15%)Zr-(1～10%)Sn-(0.1～0.3%)O，余量为Ti。该钛合金具有良好的综合性能，通过不同的热处理工艺可以调控合金的强度和弹性模量。该合金的弹性模量E为40～68GPa，屈服强度σ0.2为580～800MPa，抗拉强度σb为750～1120MPa，伸长率ε为12～48%，断面收缩率为36～65%。该钛合金不含毒性元素，具有优异的耐蚀性和生物相容性，冷加工性能良好，可进行大变形量的冷轧。该钛合金用途广泛，不仅可以用来制作口腔修复、人工骨、人工关节等用于人体的组织修复或替代材料，还可以用于制作体育和工业器械。
文档编号A61L27/06GK102899528SQ201210410239
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者刘会群, 易丹青, 高颀, 李献民, 许艳飞 申请人:中南大学, 宝钛集团有限公司