一种医用
β
钛合金板及控制其织构的冷加工制造方法
技术领域
1.本发明属于金属材料加工领域，涉及一种医用β钛合金板及控制其织构的冷加工制造方法。
背景技术：
2.钛合金具有良好的力学性能、耐腐蚀性和良好的生物相容性，在骨板、人工胸骨等骨科植入用金属生物材料中具有广阔的应用前景。匹配人体骨骼的杨氏模量是生物医学金属材料的一个重要因素。如果植入物的杨氏模量与人骨的杨氏模量不匹配，人工骨将承受额外的载荷，在长期低载荷条件下，会导致邻近骨组织骨质疏松，人体骨骼的杨氏模量通常小于30gpa。初期商用的生物植入金属钛合金是ti-6al-4v合金(专利[cn 104878245a])具有高韧性和高耐蚀性的优点，但其杨氏模量为110gpa，而且含有对人体有害的合金元素v。文献[semlitsch m,weber h,streicher r,etal.joint replacement components made of hot-forged and surface-treated ti-6al-7nb alloy.biomaterials,1992,13(11):781-788]公开了一种不含v的α+β型ti-6al-7nb合金，杨氏模量与ti-6al-4v一致，约为110gpa。之后，通过成分的改良，研究人员开发出了具有更低杨氏模量的生物医用钛合金，例如，专利[cn 105296801 a]公开了一种杨氏模量为82gpa的ti-al-mn-zn合金。
[0003]
近些年，研究人员发现β钛合金板的杨氏模量明显偏低，专利[cn 101003837 a]公开了一种低杨氏模量的β型钛合金，但这仍高于人体骨骼的杨氏模量。
[0004]
β钛合金板的杨氏模量对织构具有明显的依赖性，增强{001}《110》织构有助于获得低杨氏模量的β钛合金板。但是织构的控制十分困难，目前强{001}《110》织构的形成主要依赖于大压下量(＞95％)冷轧方法。但是，大压下量冷轧的方法不利于生产较厚的医用零件。比如对于厚度为4mm的ysq 16骨板的，采用上述大压下量冷轧法，需要采用80mm的厚坯进行冷轧，很难在现有冷轧生产线上完成。因此目前需要解决不依赖于大变形量轧制，获取制备强{001}《110》织构和低杨氏模量的钛合金的方法。
技术实现要素：
[0005]
针对现有技术中的上述问题，本发明提供一种控制医用β钛合金板织构的冷加工制造方法，所述的这种低模量医用钛合金的轧制制备工艺要解决现有技术中的β钛合金板的杨氏模量高，轧制变形量大，变形织构差等技术问题。
[0006]
本发明采用的技术方案如下：
[0007]
一种医用β钛合金板，合金成分按照重量百分比分别为：nb：0～45％，mo：0～24％，zr：0～80％，ta：0～80％，fe：0～1％，sn：0～3％，o：0～0.6％，c、n和h为杂质，其中nb、mo、zr、ta、fe、sn元素不能同时为0，剩余部分为ti及不可避免的杂质。
[0008]
本发明还提供了一种控制医用β钛合金板织构的冷加工制造方法，冷轧加工分为两阶段：第一阶段的轧制方向与热轧板的轧制方向相同，即沿板材的轧向(rd方向)轧制，记为δ1，第二阶段转变轧制方向，沿板材的横向(td方向)轧制，即沿rd方向旋转90
°
轧制，记为
δ2，总压下率为第一阶段加上第二阶段压下率，记为δ。当总压下率在40％～69％时，沿rd方向的压下率不超过总压下率的一半，随后沿td方向轧制，直到结束；当总压下率在70％～90％时，沿rd方向的压下率应不小于0.15倍的总压下率且不大于0.75倍的总压下率，随后沿td方向轧制，直到结束。
[0009]
本发明经过上述冷加工过程，能够消除冷轧{111}《112》、{111}《110》和{112}《110》织构；在不依赖于大变形量冷轧的加工制造方法下得到对降低杨氏模量有利的强{001}《110》织构，降低了对生产低杨氏模量合金总压下量的苛刻要求，拓宽了加工工艺参数窗口；通过减小加工硬化提高了合金的延伸率，扩大了合金板材的厚度规格范围。
[0010]
本发明与已有的通过大轧制变形量的冷加工控制医用β钛合金板织构的制造技术相比，其轧制工艺技术进步是显著的。通过减小冷轧变形量，在较小压下量下就可以达到大压下量产品的织构控制效果，进而调控杨氏模量。而与普通冷轧加工方法相比，杨氏模量降低了3～15gpa，有利于高性能医用β钛合金板的商业化生产。
[0011]
本发明提供的医用钛合金轧制加工方法可广泛应用于医疗器械及工业产品。其优点是杨氏模量低，延伸率高，成型厚度可调控范围大，制造出的钛合金板可适用于医用植入骨骼替代件、人工关节、种植牙齿、骨板和骨钉等硬组织的修复，而且这种改进并不是针对某一个成分或者某一成分体系的β钛合金板，这种方法普遍的适用于含nb、mo、zr、ta等多个成分体系的β钛合金板的制造，具有良好的普遍适应性。
附图说明
[0012]
图1是本发明冷轧加工过程的示意图。
[0013]
图2是本发明实施例1中a5样品冷轧加工之后采用xrd方法测试的宏观织构。
[0014]
织构测试采用smart lab型x射线衍射仪，织构强度为labo-tex软件上计算出的晶粒取向分布函数(odf)值，测试结果用恒截面图表示。
[0015]
拉伸样品取自冷轧板rd 45
°
方向上，即：沿冷轧rd方向旋转45
°
，拉伸轴平行于rd 45
°
。
具体实施方式
[0016]
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0017]
实施例1
[0018]
使用表1所述成分为ti-(34-45)nb、ti-(15-23)mo、ti-(60-75)zr、ti-(60-70)ta的二元合金的热轧板，按照表2所示，总压下率70％～80％的轧制工艺制度进行轧制，拉伸测试得到的杨氏模量为51-70gpa。
[0019]
表1
[0020][0021]
表2
[0022]
[0023][0024]
实施例2
[0025]
使用表3所述成分为ti-(20-36)nb-(25-55)zr-(0-1)fe-(0-1.5)sn的多元合金的热轧板，按照表4所示，总压下率80％～90％的轧制工艺制度进行轧制，拉伸测试得到的杨氏模量为30-69gpa。
[0026]
表3
[0027]
(2-8)zr-(1-2)sn、ti-(30-35)nb-(0-10)zr-(10-20)ta-(0-1)fe的多元合金的热轧板，按照表6所示，总压下率40％～69％的轧制工艺制度进行轧制，拉伸测试得到的杨氏模量为63-74gpa。
[0034]
表5
[0035][0036]
表6
[0037][0038][0039]
实施例4
[0040]
使用表7所述成分为ti-(30-35)nb-(0-10)zr-(10-20)ta-(0-1)fe的多元合金的热轧板，按照表8所示，总压下率80％～90％的工艺制度进行轧制，拉伸测试得到的杨氏模量为30-47gpa。
[0041]
表7
[0042][0043]
表8
[0044][0045]