专利名称：纳米化降低钛和钛合金材料弹性模量的方法
技术领域：
本发明涉及材料领域的降低材料弹性模量的方法，具体是一种纳米化降低钛和钛合金材料弹性模量的方法。
背景技术：
钛和钛合金具有优良的生物相容性，是一类主要的生物医用金属材料，在骨科、齿科等方面具有广泛应用，如临床人工髋关节置换中大量使用的就是钛合金假体，但目前在髋关节置换等使用中发现由于钛材料的弹性模量(约110GPa)大大高于人骨(约30GPa)，由此造成生物力学不匹配，产生应力遮挡效应，这是造成髋关节置换失败的主要原因。因此，降低钛和钛合金材料的弹性模量是生物医用金属材料的重要研究内容之一。
为发展低弹性模量的钛材料，通常使用合金化的方法。Mitsou Niinomi在发表于Metallurgical and Materials Transactions A，33A，2002477-486.的文章“Recent Metallic Materials for Biomedical Applications”(“生物医学应用的最新金属材料”，《冶金与材料会刊》，33A，2002477-486。)中介绍了通过添加Nb、Ta、Zr、Mo等合金元素来降低钛合金弹性模量的方法及其合金牌号等，这些合金元素使钛合金成为β结构，可降低其弹性模量。合金化提高了材料的生产成本，且不能针对纯钛以及任意的钛合金获得低的弹性模量。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种纳米化降低钛和钛合金材料弹性模量的方法，使其将通常工业生产的钛或钛合金材料进行纳米化处理，使钛材料中的晶体尺寸从通常的微米量级降低到纳米量级，纳米晶体的钛材料由于晶界处的原子无序排列和原子间距增加从而降低了其弹性模量。
本发明是通过以下技术方案实现的，具体如下将待处理的钛材料固定在一个可密闭的金属容器内进行高速喷丸处理，在容器中装入小钢球丸，采用一振动发生器使容器进行振动，容器高速运动时带动容器中的钢球高速地撞击钛的表面，高速喷丸处理使钛的晶体发生分化，晶体尺寸降低至纳米量级，经纳米处理后的钛材料弹性模量显著降低。
待处理的钛材料是板材或棒材，容器在处理时抽真空避免处理时钛材料被氧化，真空度大于或者等于10-3Pa。
钢球丸大小为1-20mm，钢球数量10-100个。
容器振动频率为1-500Hz。容器振动时带动容器中的钢球高速地撞击钛的表面，这种高速喷丸处理使钛发生由表及里的严重塑性变形，钛的晶体中变形位错和变形孪晶大量增殖，并使钛的晶体发生分化，晶体尺寸降低。
喷丸处理的时间决定了纳米晶体的大小，一般处理时间为10-200分钟。当喷丸处理到一定时间后，钛的晶体尺寸可降低到几个到几百纳米。纳米处理后钛材料的弹性模量显著降低。
本发明是一种通过纳米化处理技术，使钛材料中的晶体尺寸从通常的几十微米大小降低到几十纳米大小，纳米晶体的钛材料中晶界数量大大增加。有关物理学公式E=kam,]]>式中E是材料的弹性模量，a是原子间距，k和m是常数。可见，增加原子间距会降低材料的弹性模量。因此，钛材料通过将晶体尺寸降低到纳米大小，会大大增加材料中的晶界数量，而晶界处原子间距增加和原子无序排列会降低材料的弹性模量，因此，本发明通过纳米化降低钛材料的弹性模量是一种有效的方法。
本发明通过纳米处理技术来实现降低钛材料的弹性模量，纳米处理后钛材料的弹性模量显著降低，在晶体尺寸减小到几个纳米时，可达到40-50GPa的低弹性模量，接近于人骨的弹性模量，从而可大大减少应力遮挡效应，提高钛材料的生物力学相容性，可有效降低关节置换等手术失败的发生率等。
具体实施例方式
结合本发明的内容提供以下实施例实施例1钛材料为商业纯钛，将纯钛板样品用螺栓固定在一个喷丸设备的容器上，采用1mm的钢球10个做喷丸，抽真空到10-3Pa，振动频率为1Hz，高能喷丸处理10min。以同样的方式处理板材的两个面后，经拉伸力学性能测试，钛的弹性模量由原来的108.2GPa下降到了处理后纳米钛的弹性模量92.7GPa。
实施例2钛材料为商业纯钛，将纯钛板样品用螺栓固定在一个喷丸设备的容器上，采用8mm的钢球50个做喷丸，抽真空到10-3Pa，振动频率为100Hz，高能喷丸处理100min。以同样的方式处理板材的两个面后，经拉伸力学性能测试，钛的弹性模量由原来的108.2GPa下降到了处理后纳米钛的弹性模量72.6GPa。
实施例3钛材料为商业纯钛，将纯钛板样品用螺栓固定在一个喷丸设备的容器上，采用20mm的钢球100个做喷丸，抽真空到10-3Pa，振动频率为500Hz，高能喷丸处理200min。以同样的方式处理板材的两个面后，经拉伸力学性能测试，钛的弹性模量由原来的108.2GPa下降到了处理后纳米钛的弹性模量50.8GPa。
实施例4钛材料为Ti6Al4V合金，将Ti6Al4V合金样品用螺栓固定在一个喷丸设备的容器上，采用8mm的钢球做喷丸，抽真空到10-3Pa，振动频率为50Hz，高能喷丸处理100min。以同样的方式处理板材的两个面后，经拉伸力学性能测试，Ti6Al4V的弹性模量由原来的110.6GPa下降到了处理后纳米Ti6Al4V的弹性模量75.3GPa。
实施例5钛材料为TiNi合金，将TiNi合金样品用螺栓固定在一个喷丸设备的容器上，采用8mm的钢球做喷丸，抽真空到10-3Pa，振动频率为50Hz，高能喷丸处理100min。以同样的方式处理板材的两个面后，经拉伸力学性能测试，TiNi的弹性模量由原来的78.8GPa下降到了处理后纳米TiNi的弹性模量60.7GPa。
权利要求
1.一种纳米化降低钛和钛合金材料弹性模量的方法，其特征在于，将待处理的钛材料固定在一个可密闭的金属容器内进行高速喷丸处理，在容器中装入小钢球丸，采用一振动发生器使容器进行振动，容器高速运动时带动容器中的钢球高速地撞击钛的表面，高速喷丸处理使钛的晶体发生分化，晶体尺寸降低至纳米量级，经纳米处理后的钛材料弹性模量显著降低。
2.根据权利要求1所述的纳米化降低钛和钛合金材料弹性模量的方法，其特征是，待处理的钛材料是板材或棒材，容器在处理时抽真空避免处理时钛材料被氧化，真空度大于或者等于10-3Pa。
3.根据权利要求1所述的纳米化降低钛和钛合金材料弹性模量的方法，其特征是，钢球丸大小为1-20mm，钢球数量10-100个。
4.根据权利要求1所述的纳米化降低钛和钛合金材料弹性模量的方法，其特征是，容器振动频率为1-500Hz。
5.根据权利要求1所述的纳米化降低钛和钛合金材料弹性模量的方法，其特征是，高速喷丸处理时间为10-200分钟。
全文摘要
一种材料领域的纳米化降低钛和钛合金材料弹性模量的方法，将待处理的钛材料固定在一个可密闭的金属容器内进行高速喷丸处理，在容器中装入小钢球丸，采用一振动发生器使容器进行振动，容器高速运动时带动容器中的钢球高速地撞击钛的表面，高速喷丸处理使钛的晶体发生分化，晶体尺寸降低至纳米量级，经纳米处理后的钛材料弹性模量显著降低。本发明通过纳米处理技术来实现降低钛材料的弹性模量，纳米处理后钛材料的弹性模量显著降低，从而可减少应力遮挡效应，提高钛材料的生物力学相容性。
文档编号C22C14/00GK1718835SQ20051002715
公开日2006年1月11日 申请日期2005年6月27日 优先权日2005年6月27日
发明者张小农 申请人:上海交通大学