一种Ti‑Nb‑Mn合金及其制备方法与流程

本发明具体涉及医疗器械领域，特别涉及一种ti-nb-mn合金及其制备方法。

背景技术：

与其它生物医用金属材料相比，钛及钛合金由于具有较低的密度、高的比强度、良好的耐蚀性和生物相容性等显著特点，因此成为矫形外科、骨骼置换及关节修复等医疗外科手术中广泛应用的金属材料。目前,在临床医学中应用的钛及钛合金主要是纯ti(cp-ti)和ti-6al-4v(tc4)合金，但它们具有较高的弹性模量(≥110gpa)，远高于人骨(3-20gpa)，如果植入人体，会对周围的骨骼产生“应力屏蔽”，导致植入体周围出现骨吸收，最终引起植入体的无菌松动，缩短使用寿命。研究表明，在构成钛合金的各类相中，具有体心立方结构的β相弹性模量最低。设计和开发具有更低的弹性模量的β钛合金成为医用钛合金材料开发的重点。

nb与β-ti晶格相同，能无限固溶于β相中，而不形成化合物。因此，ti-nb类合金是目前研究和开发的最主要的医用β型钛合金，包括ti-nb二元系,ti-nb-ta、ti-nb-zr及ti-mo-nb等三元系及ti-nb-ta-zr等四元系合金。虽然nb属于β相稳定元素且无毒性，但获得完全β相的加入量大。研究表明，对于ti-nb合金，只有当nb量达到42％，经过水淬β相才能完全保留到室温。nb属于贵重的稀有元素，加入量大势必造成合金成本的提高。另外，nb的熔点高达2468℃，这势必造成熔炼的困难，形成的组织易产生偏析，影响力学和耐腐蚀性能。因此，以廉价的强β相稳定元素代替nb元素形成的β型钛合金具有很大的研究、开发价值。

ti-nb基合金由于具有低的弹性模量和较好的形状记忆效应，是最有潜力开发使用的医用钛合金。一些ti-nb基的亚稳定钛合金已经得到了应用，如ti-13nb-13zr，ti-35nb-5ta-7zr，ti-29nb-13ta-4.6zr，ti-39nb-5.1ta-7.1zr(tntz)和ti-34nb-9zr-8ta。这些钛合金在获得低的弹性模量的同时却造成合金强度较低。有的弹性模量较高，但合金的强度却不足600mpa，如ti-35nb-5ta-7zr。为了满足生物医用材料好的生物相容性的特点外，还应该使得材料具有中等的强度和较低的弹性模量。一般来讲，材料的抗拉强度大于650mpa，弹性模量在70gpa以下，可满足骨科，牙科等生物医用领域的应用。

mn是强β相稳定元素，且其对β相具有较大的固溶强化效应。作为世界卫生组织确认的14种人体必需的微量元素之一，研究表明当mn≤13％时，ti-mn合金具有优良的细胞存活率，与cp-ti的相当，微量mn具有生物安全性。mn是安全无毒强β相稳定元素，研究合适的加入量代替nb元素以期高的抗拉(去掉抗拉)强度和低的弹性模量。

因此，一种的ti-nb-mn合金及其制备方法成为解决问题的关键。

技术实现要素：

作为各种广泛且细致的研究和实验的结果，本发明的发明人已经发现：选取安全无毒强β相稳定元素mn，部分替代nb贵重金属，降低熔炼难度，易于固溶处理，同时避免组织产生偏析，改善力学性能，提高抗拉强度，保持低弹性模量。

本发明的一个目的提供一种ti-nb-mn合金，其具有较高抗拉强度和较低的弹性模量。

本发明还有一个目的在于提供一种ti-nb-mn合金的制备方法，其制备的合金具有较高抗拉强度和较低的弹性模量。

为实现上述目的，本发明提供一种ti-nb-mn合金，该合金由如下重量百分比组成：

钛72％～73％；

铌23％-24％；

锰3％-5％。

优选的是，该合金由如下重量百分比组成：

钛73％；

铌24％；

锰3％。

优选的是，所述ti-nb-mn合金合的屈服强度为728～731mpa。

优选的是，所述ti-nb-mn合金合的抗拉强度为737～893mpa。

优选的是，所述ti-nb-mn合金合的硬度值达328～340hv。

优选的是，所述ti-nb-mn合金合的弹性模量为82～87gpa。

一种用于制备上述任一项所述的ti-nb-mn合金的方法，包括如下步骤：

a、按照重量百分比72％～73％的钛、23％～24％的铌、3％～5％的锰进行配料，置于真空电弧熔炉中，反复熔炼3～6次，冷却后获得到母合金锭；

b、将步骤a中获得的母合金锭放入石英管中，对盛有母合金锭的石英管进行抽真空，使其内部的真空度达到3×10^-4～1×10^-3pa，再将盛有母合金锭的石英管放入井式电阻炉中加热至900～920℃，保温25～35min；快速将石英管淬入饱和nacl溶液中，得到形成β型ti-nb-mn合金。

优选的是，在步骤a中，将钛、铌和锰金属置于真空电弧熔炉前，还应打磨去除表面氧化层，超声波清洗3～6分钟。

优选的是，在步骤b中，真空管内的真空度为5×10^-4～8×10^-4pa。

优选的是，在步骤b中，加热温度为905～915℃，保温28～32min。。

本发明的有益效果是：1、具有较高抗拉强度和较低的弹性模量；2、用安全无毒强β相稳定元素mn，部分替代nb贵重金属，降低熔炼难度，易于固溶处理；3、安全无毒强β相稳定元素mn，降低了生产成本。

附图说明

图1不同含mn量的合金xrd图谱；

图2合金的伸长率σ、屈服强度σs、抗拉强度σb与含mn量的关系曲线；

图3不同含mn量合金的显微硬度和弹性模量。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

实施例1

本发明提供一种ti-nb-mn合金，以重量百分比计，包括：

钛73％、铌24％和锰3％。

本发明所述一种ti-nb-mn合金的制备方法如下：

a、按照如上重量百分比，称取钛73g、铌24g和锰3g，打磨去除表面氧化层，超声波清洗5分钟，置于真空电弧熔炉中，反复熔炼5次，冷却后获得到母合金锭；

b、将步骤a中获得的母合金锭放入石英管中，对盛有母合金锭的石英管进行抽真空，使其内部的真空度达到8×10^-4pa，再将盛有母合金锭的石英管放入井式电阻炉中加热至910℃，保温30min；快速将石英管淬入饱和nacl溶液中，得到形成β型ti-nb-mn合金。

实施例2

本发明提供一种ti-nb-mn合金，以重量百分比计，包括：

钛72％、铌23％和锰5％。

本发明所述一种ti-nb-mn合金的制备方法如下：

a、按照如上重量百分比，称取钛72g、铌23g和锰5g，打磨去除表面氧化层，超声波清洗3分钟，置于真空电弧熔炉中，反复熔炼6次，冷却后获得到母合金锭；

b、将步骤a中获得的母合金锭放入石英管中，对盛有母合金锭的石英管进行抽真空，使其内部的真空度达到3×10^-4pa，再将盛有母合金锭的石英管放入井式电阻炉中加热至920℃，保温25min；快速将石英管淬入饱和nacl溶液中，得到形成β型ti-nb-mn合金。

实施例3

本发明提供一种ti-nb-mn合金，以重量百分比计，包括：

钛72.5％、铌23.5％和锰4％。

本发明所述一种ti-nb-mn合金的制备方法如下：

a、按照如上重量百分比，称取钛72.5g、铌23.5g和锰4g，打磨去除表面氧化层，超声波清洗6分钟，置于真空电弧熔炉中，反复熔炼3次，冷却后获得到母合金锭；

b、将步骤a中获得的母合金锭放入石英管中，对盛有母合金锭的石英管进行抽真空，使其内部的真空度达到1×10^-3pa，再将盛有母合金锭的石英管放入井式电阻炉中加热至900℃，保温35min；快速将石英管淬入饱和nacl溶液中，得到形成β型ti-nb-mn合金。

实施例4

本发明提供一种ti-nb-mn合金，以重量百分比计，包括：

钛72.25％、铌23.25％和锰4.5％。

本发明所述一种ti-nb-mn合金的制备方法如下：

a、按照如上重量百分比，称取钛72.25g、铌23.25g和锰4.5g，打磨去除表面氧化层，超声波清洗4分钟，置于真空电弧熔炉中，反复熔炼4次，冷却后获得到母合金锭；

b、将步骤a中获得的母合金锭放入石英管中，对盛有母合金锭的石英管进行抽真空，使其内部的真空度达到5×10^-4pa，再将盛有母合金锭的石英管放入井式电阻炉中加热至905℃，保温32min；快速将石英管淬入饱和nacl溶液中，得到形成β型ti-nb-mn合金。

实施例5

本发明提供一种ti-nb-mn合金，以重量百分比计，包括：

钛72.75％、铌23.5％和锰3.25％。

本发明所述一种ti-nb-mn合金的制备方法如下：

a、按照如上重量百分比，称取钛72.75g、铌23.5g和锰3.25g，打磨去除表面氧化层，超声波清洗5分钟，置于真空电弧熔炉中，反复熔炼5次，冷却后获得到母合金锭；

b、将步骤a中获得的母合金锭放入石英管中，对盛有母合金锭的石英管进行抽真空，使其内部的真空度达到7.5×10^-4pa，再将盛有母合金锭的石英管放入井式电阻炉中加热至915℃，保温28min；快速将石英管淬入饱和nacl溶液中，得到形成β型ti-nb-mn合金。

实施例6

本发明提供一种ti-nb-mn合金，以重量百分比计，包括：

钛72.75％、铌23.5％和锰3.75％。

本发明所述一种ti-nb-mn合金的制备方法如下：

a、按照如上重量百分比，称取钛72.75g、铌23.5g和锰3.75g，打磨去除表面氧化层，超声波清洗3分钟，置于真空电弧熔炉中，反复熔炼6次，冷却后获得到母合金锭；

b、将步骤a中获得的母合金锭放入石英管中，对盛有母合金锭的石英管进行抽真空，使其内部的真空度达到9×10^-4pa，再将盛有母合金锭的石英管放入井式电阻炉中加热至912℃，保温30min；快速将石英管淬入饱和nacl溶液中，得到形成β型ti-nb-mn合金。

实施例7

本发明提供一种ti-nb-mn合金，以重量百分比计，包括：

钛72.75％、铌23.75％和锰3.5％。

本发明所述一种ti-nb-mn合金的制备方法如下：

a、按照如上重量百分比，称取钛72.75g、铌23.75g和锰3.5g，打磨去除表面氧化层，超声波清洗6分钟，置于真空电弧熔炉中，反复熔炼3次，冷却后获得到母合金锭；

b、将步骤a中获得的母合金锭放入石英管中，对盛有母合金锭的石英管进行抽真空，使其内部的真空度达到6.5×10^-4pa，再将盛有母合金锭的石英管放入井式电阻炉中加热至908℃，保温31min；快速将石英管淬入饱和nacl溶液中，得到形成β型ti-nb-mn合金。

对比例1

一种ti-nb合金，以重量百分比计，包括：

钛73％、铌27％。

所述一种ti-nb合金的制备方法如下：

a、按照如上重量百分比，称取钛73g和铌27g，打磨去除表面氧化层，超声波清洗5分钟，置于真空电弧熔炉中，反复熔炼5次，冷却后获得到母合金锭；

b、将步骤a中获得的母合金锭放入石英管中，对盛有母合金锭的石英管进行抽真空，使其内部的真空度达到8×10^-4pa，再将盛有母合金锭的石英管放入井式电阻炉中加热至910℃，保温30min；快速将石英管淬入饱和nacl溶液中，得到形成β型ti-nb合金。

对比例2

一种ti-nb-mn合金，以重量百分比计，包括：

钛73％、铌26％、mn1％。

本发明所述一种ti-nb-mn合金的制备方法如下：

a、按照如上重量百分比，称取钛73g、铌26g和锰1g，打磨去除表面氧化层，超声波清洗5分钟，置于真空电弧熔炉中，反复熔炼5次，冷却后获得到母合金锭；

b、将步骤a中获得的母合金锭放入石英管中，对盛有母合金锭的石英管进行抽真空，使其内部的真空度达到8×10^-4pa，再将盛有母合金锭的石英管放入井式电阻炉中加热至910℃，保温30min；快速将石英管淬入饱和nacl溶液中，得到形成β型ti-nb-mn合金。

对比例3

一种ti-nb-mn合金，以重量百分比计，包括：

钛73％、铌25％、mn2％。

本发明所述一种ti-nb-mn合金的制备方法如下：

a、按照如上重量百分比，称取钛73g、铌25g和锰2g，打磨去除表面氧化层，超声波清洗5分钟，置于真空电弧熔炉中，反复熔炼5次，冷却后获得到母合金锭；

b、将步骤a中获得的母合金锭放入石英管中，对盛有母合金锭的石英管进行抽真空，使其内部的真空度达到8×10^-4pa，再将盛有母合金锭的石英管放入井式电阻炉中加热至910℃，保温30min；快速将石英管淬入饱和nacl溶液中，得到形成β型ti-nb-mn合金。

实验数据

分别检测由实施例1-7和对比例1-2制备得的合金的伸长率、屈服强度、抗拉强度、硬度和弹性模量，结果见图1～3和表1。

表1

由表1可以看出，当mn元素的加入量为3～5％时，合金的弹性模量较小，同时伸长率、屈服强度、抗拉强度和硬度比较适合应用于医疗器械领域。

如上所述，本发明一种ti-nb-mn合金及其制备方法，具有较高抗拉强度和较低的弹性模量；用安全无毒强β相稳定元素mn，部分替代nb贵重金属，降低熔炼难度，易于固溶处理；安全无毒强β相稳定元素mn，降低了生产成本。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。