一种高强低模医用β-Ti合金材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及医用钛合金领域，特别涉及一种高强低模医用β-Ti合金材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]钛合金具有优异的生物相容性、力学性能和耐蚀性能，近年来已逐渐成为生物医用材料的首选材料之一。目前常用的医用Ti合金材料有纯T1、Ti6A14V等合金材料，它们主要是以α、α+β两相为主，故其植入件弹性模量远远大于人骨的弹性模量，容易产生应力屏蔽而致使植入失败。众所周知，β型钛合金比α+β型钛合金具有更低的弹性模量，制备β型钛合金材料是降低弹性模量的有效手段。
[0003]目前，许多研究者采用铸造、真空熔炼、热处理、水淬等技术研制出了TiNbZr、TiNbZrTaJiNbZrSn等β-Ti合金，该类合金的弹性模量在40?71GPa之间。但该类合金材料的制备工艺较复杂，为保证合金成分均匀，需要反复熔炼后进行固溶处理或时效处理。因为固溶处理仅能提高塑性，而时效处理仅能提高强度，故需两者结合才能提高材料的综合性能。此外，采用铸造法制备出的Ti合金材料晶粒组织粗大，还需改善工艺进行后处理细化晶粒以进一步提尚其综合力学性能。
[0004]放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，简称SPS)技术具有加热均勾、升温速度快、烧结时间短、烧结效率高等优势，近年来作为功能材料的制备手段得到广泛应用。使用此方法制备出的合金材料组织细小均匀，致密度高。
[0005]因此，若能通过选择生物相容性好、β相稳定的金属元素，再结合机械合金化制备合金粉末和放电等离子烧结等粉末固结技术，必定能制备出力学性能好、弹性模量低的新型β-Ti合金，这具有重要的理论意义和工程价值。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高强低模医用β-Ti合金材料，该合金材料具有与人骨相当的弹性模量，可较好地应用于医用领域。
[0007]本发明的另一目的在于提供一种上述高强低模医用β-Ti合金材料的制备方法。
[0008]本发明的技术方案为:一种高强低模医用β-Ti合金材料，其微观结构为完全的β_Ti相，所述β-Ti合金材料中含有钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)和铟(In)四种元素，其中，钛元素的质量百分比为62?68%，铌的质量百分比为25.2?28%，锆的质量百分比为1.8?2%，铟的质量百分比为2?11%。
[0009]作为一种优选方案，所述β-Ti合金材料中，钛元素的质量百分比为62%，铌的质量百分比为28%，锆的质量百分比为2%，铟的质量百分比为2%。
[0010]作为另一种优选方案，所述β-Ti合金材料中，钛元素的质量百分比为64.2%，铌的质量百分比为26.4%，锆的质量百分比为1.9%，铟的质量百分比为7.5%。
[0011]作为再一种优选方案，所述β-Ti合金材料中，钛元素的质量百分比为62%，铌的质量百分比为25.2%，锆的质量百分比为1.8%，铟的质量百分比为11%。
[0012]一种高强低模医用β-Ti合金材料的制备方法，包括以下步骤:
[0013](I)混粉:按照β-Ti合金材料中钛、铌、锆和铟四种元素的质量百分比，称取相应质量的单质粉末，然后放入混粉机中混合均匀，形成混合粉末；
[0014](2)高能球磨制备β-Ti合金粉末:将步骤(I)得到的混合粉末放入高纯氩气保护的球磨机进行高能球磨，球磨转速为250?350r/min，球磨时间40?60h，形成β-Ti合金粉末；
[0015](3)放电等离子烧结β-Ti合金粉末:将步骤(2)得到的β-Ti合金粉末放入烧结设备中进行快速烧结，烧结温度为800?1000°C，升温速率平均为30?150°C/min，烧结保温时间为O?15min，得到微观结构为完全的β-Ti相的块状合金。
[0016]其中，所述步骤(I)中，钛、铌和铟的单质粉末均采用纯度为99.95%的单质粉末，锆的单质粉末采用纯度为99.6%的单质粉末。
[0017]所述步骤(I)中，混分机为V型混粉机，混合时间为5h。
[0018]所述步骤(2)中，球磨机为QM-2SP12型行星球磨机，球磨机中采用不锈钢的球磨罐和磨球，球磨罐内充入高纯氩气，磨球有3个，各磨球的直径分别为6mm、1mm和15mm，3个磨球的重量比为1:3:1。
[0019]所述步骤(3)中，烧结设备为放电等离子烧结系统或真空热压炉。
[0020]所述步骤(3)中，烧结设备的加热方式为脉冲电流加热或辐射加热，烧结压力为30?50MPa，烧结真空度< ICT2Pa。
[0021 ]本发明相对于现有技术，具有以下有益效果:
[0022]本高强低模医用β-Ti合金材料具有与人骨相当的弹性模量，可完全代替目前以α型、α+β型合金材料在医用领域的使用，可代替人骨使用，具有较高的植入成功率，可较好地应用于医用领域。
[0023]本高强低模医用β-Ti合金材料的制备方法，通过选择生物相容性好、β相稳定的金属元素，采用机械合金化制备合金粉末，再通过放电等离子烧结等粉末固结技术制备出力学性能好、弹性模量低的新型β-Ti合金，具有重要的理论意义和工程价值。
[0024]本高强低模医用β-Ti合金材料的制备方法，克服传统铸造法的缺陷，制备工艺简单、操作方便、节约成本;采用的放电等离子烧结技术具有烧结速率低、升温速率快、烧结时间短、效率高等特点;烧结后获得的材料组织均匀细小、致密度高。由试验证明，该技术被认为是一种绿色、可持续的制造技术，其推广应用将在新材料的研究和生产领域中发挥重要作用。
【附图说明】
[0025]图1为实施例1中制得的钛合金材料的X射线衍射图。
[0026]图2为实施例1中制得的钛合金材料的扫描电镜图。
[0027 ]图3为实施例1中制得的钛合金材料的室温压缩应力应变曲线图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0029]实施例1
[0030]本实施例一种高强低模医用β-Ti合金材料，其中所含钛、铌、锆和铟四种元素的质量百分比分别为68wt % T 1、28wt % Nb、2wt % Zr、2wt % In, β-Τ i合金材料中还含有不可避免的微量杂质。
[0031]上述高强低模医用β-Ti合金材料的制备方法包括以下步骤:
[0032](I)混粉:按照β-Ti合金材料中钛、铌、锆和铟四种元素的质量百分比，称取相应质量的单质粉末，各单质粉末中，T1、Nb、In的粉末纯度为99.95%, Zr的粉末纯度为99.6 %，各单质粉末的平均颗粒尺寸约为45μπι;然后将各单质粉末放入V型混粉机中混合均匀，混合时间为5h，形成混合粉末；
[0033](2)高能球磨制备β-Ti合金粉末:将步骤(I)得到的混合粉末放入高纯氩气保护的球磨机进行高能球磨，球磨机为QM-2SP12型行星球磨机，球磨机中采用不锈钢的球磨罐和磨球，球磨罐内充入高纯氩气，磨球有3个，各磨球的直径分别为6mm、1mm和15mm，3个磨球的重量比对应为1:3:1，球磨转速为250r/min，球磨时间40h，形成β-Ti合金粉末；
[0034](3)放电等离子烧结β-Ti合金粉末:称取步骤(2)得到的β-Ti合金粉末20g，装入直径为20mm的石墨模具中，将整个模具放入烧结设备中并抽真空至10—2Pa,然后进行快速烧结;其中，烧结设备为Dr Sintering SPS-825放电等离子烧结系统，采用脉冲电流快速烧结，烧结温度为800°C，升温速率平均为50°C/min (具体分为3个阶段，8卩:先在Imin内升温到25?50°C，然后在16min内升温到850°C左右，再在Imin内升温到850°C?900°C)，烧结保温时间为Omin，烧结压力为30MPa，得到微观结构为完全的β-Ti相的块状合金。
[0035]制得的块状合金是尺寸为020mmX10mm的高强低模医用β-Ti合金。附图1为该块状合金的X射线衍射图(即衍射角2Θ与衍射峰强度的关系图)，表明该块状合金为单一的β-Ti相。附图2所示的扫描电镜图表明该高强低模医用β-Ti合金为等轴晶超细晶组织，晶粒尺寸为400nm?1200nm。附图3为该高强低模医用β-Ti合金材料的室温压缩应力-应变曲线，该合金的压缩屈服强度为1109MPa，断裂应变不小于56% (试验过程中，样品并未压断，而是被压成薄饼状)，弹性模量为29GPa。
[0036]实施例2
[0037]本实施例一种高强低模医用β-Ti合金材料，其中所含钛、铌、锆和铟四种元素的质量百分比分别为64.2wt % T1、26.4wt % Nb、I.9wt % Zr、7.5wt % In，β-Ti合金材料中还含有不可避免的微量杂质。
[0038]上述高强低模医用β-Ti合金材料的制备方法包括以下步骤:
[0039](I)混粉:按照β-Ti合金材料中钛、铌、锆和铟四种元素的质量百分比，称取相应质量的单质粉末，各单质粉末中，T1、Nb、In的粉末纯度为99.95%, Zr的粉末纯度为99.6 %，各单质粉末的平均颗粒尺寸约为45μπι;然后将各单质粉末放入V型混粉机中混合均匀，混合时间为5h，形成混合粉末；
[0040](2)高能球磨制备β-Ti合金粉末:将步骤(I)得到的混合粉末放入高纯氩气保护的球磨机进行高能球磨，球磨机为QM-2SP12型行星球磨机，球磨机中采用不锈钢的球磨罐和磨球，球磨罐内充入高纯氩气，磨球有3个，各磨球的直径分别为6mm、1mm