一种超弹性低弹性模量钛合金材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超弹性低弹性模量钛合金材料及其制备方法和应用，特别涉及一种超弹性低弹模T1-Nb-Zr-O合金材料及其制备方法和应用，属于生物医用材料领域。
【背景技术】
[0002]TiNi合金由于具有优异的形状记忆效应和超弹性，在齿科、介入治疗等医用领域得到广泛应用，但是Ni具有生物毒性，可引起神经紊乱等症状。为了避免Ni的生物毒性，各国相继开发无镍生物医用材料，以期替代TiNi合金。钛合金由于具有比强度高、生物相容性好、抗腐蚀性能优异，以及冷成型性能好等优点受到广泛关注。大量研究表明，Nb、Ta、Zr、Mo、Sn等元素具有良好的生物相容性，因此，T1-Nb, T1-Mo, T1-Ta系等完全由生物安全元素组成的β钛合金成为研究重点。
[0003]在T1-Nb 二元系合金中，当Nb含量超过25&七％时，合金呈现超弹性，但是超弹性较低，这主要是由于合金的临界滑移应力低导致的，因此需要强化合金。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提出一种超弹性、低弹性模量、生物相容性好的乳制T1-Nb-Zr-O合金及其制备方法，该合金可以广泛用于制作牙弓丝、支架等生物医用材料。
[0005]—种低弹性模量高强钛合金材料，具体为T1-Nb-Zr-O合金材料，该合金材料由银、错、氧和钛组成，其原子百分比组成为银18%，错10?13%，氧0.5?1.5%，余量为钛，并且上述各成分的含量之和为100%。
[0006]本发明将Zr添加到T1-Nb合金中，可以有效的降低合金的马氏体相变温度，提高合金的临界滑移应力。O作为间隙原子，对于提高T1-Nb合金的临界滑移应力也十分有效，但是O添加过量对于合金的塑性不利，因此本发明控制了 O的添加量。
[0007]经过冷乳和退火处理后，本发明合金的室温超弹性为2.5?4.5%，弹性模量为50?60GPa，延伸率为6?20 %。
[0008]本发明低弹性模量高强钛合金材料的制备方法，包括如下工艺步骤:
[0009](I)采用钛、铌、锆和二氧化钛为原料，按照上述配比进行配料，将称取的原料放入非自耗真空电弧炉内熔炼成T1-Nb-Zr-O合金铸锭；
[0010](2)将制得的T1-Nb-Zr-O合金进行固溶处理，水淬；
[0011](3)将固溶处理后的合金进行冷乳，变形量彡75%，在空气中进行；
[0012](4)将冷乳板材进行退火处理，空冷，获得完全β相组织。
[0013]步骤(I)中，铌优选为钛铌中间合金Ti_45Nb等。
[0014]步骤(2)中，所述的固溶处理的温度为800?880°C，时间为I?2小时。
[0015]步骤⑷中，所述的退火处理的温度为500?600°C，时间为0.5?lh。
[0016]上述合金材料由于具有超弹性、低弹性模量及较好的生物相容性，可用作生物医用材料，如用于制作牙弓丝、支架等。
[0017]本发明的超弹性低弹模T1-Nb-Zr-O合金，在保证钛合金马氏体相变点低于室温的情况下，降低Nb、增加Zr和0，可降低熔炼难度，且组分都为无毒元素，对人体无害，可作为生物医用材料。采用真空非自耗电弧炉熔炼加固溶处理、冷乳、短时退火处理，获得的材料的室温超弹性为2.5?4.5 %，弹性模量为50?60GPa，延伸率为6?20 %，适合于做支架、牙弓丝等生物医用材料。
【附图说明】
[0018]图1是T1-18Nb-13Zr-0.50合金退火态X射线衍射图谱。
[0019]图2是T1-18Nb-13Zr-0.50合金退火态室温拉伸加载卸载应力-应变曲线。
【具体实施方式】
[0020]下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0021]实施例1:制备T1-18Nb-10Zr-0.50合金材料
[0022](l)T1-18Nb-10Zr-0.50合金，原材料为O级海绵T1、火器级海绵Zr、Ti_45Nb中间合金、T12粉末，按照成分配比进行配料，经非自耗真空电弧炉熔炼，充分搅拌，熔炼次数为3 ?5 次，得到 T1-18Nb-10Zr-0.50 铸锭；
[0023](2)将上述制得的T1-18Nb-10Zr-0.50合金进行线切割，放入热处理炉内进行热处理，热处理温度850°C下保温I小时后，水淬。
[0024](3)将固溶处理后的合金进行冷乳，变形量90%，在空气中进行；即可得到T1-18Nb-10Zr-0.50 板材；
[0025](4)将冷乳板材在600°C进行0.5h退火处理，空冷，获得完全β相组织。
[0026]材料性能:室温超弹性2.5 %，弹性模量60GPa，延伸率18 %.
[0027]实施例2:制备T1-18Nb-10Zr-l.50合金材料
[0028](l)T1-18Nb-10Zr-l.50合金，原材料为O级海绵T1、火器级海绵Zr、Ti_45Nb中间合金、T12粉末，按照成分配比进行配料，经非自耗真空电弧炉熔炼，充分搅拌，熔炼次数为3 ?5 次，得到 T1-18Nb-10Zr-l.50 铸锭；
[0029](2)将上述制得的T1-18Nb-10Zr-l.50合金进行线切割，放入热处理炉内进行热处理，热处理温度850°C下保温1.5小时后，水淬。
[0030](3)将固溶处理后的合金进行冷乳，变形量80%，在空气中进行；即可得到T1-18Nb-10Zr-l.50 板材；
[0031](4)将冷乳板材在580°C进行Ih退火处理，空冷，获得完全β相组织。
[0032]材料性能:室温超弹性3 %，弹性模量58GPa，延伸率10 %。
[0033]实施例3:制备T1-18Nb-13Zr-0.50合金材料
[0034](l)T1-18Nb-13Zr-0.50合金，原材料为O级海绵T1、火器级海绵Zr、Ti_45Nb中间合金、T12粉末，按照成分配比进行配料，经非自耗真空电弧炉熔炼，充分搅拌，熔炼次数为3 ?5 次，得到 T1-18Nb-13Zr-0.50 铸锭；
[0035](2)将上述制得的T1-18Nb-13Zr-0.50合金进行线切割，放入热处理炉内进行热处理，热处理温度800°C下保温1.5小时后，水淬。
[0036](3)将固溶处理后的合金进行冷乳，变形量85%，在空气中进行；即可得到T1-18Nb-13Zr-0.50 板材；
[0037](4)将冷乳板材在500°C进行0.5h退火处理，空冷，获得完全β相组织。
[0038]材料性能:室温超弹性3.3 %，弹性模量53GPa，延伸率20 %.
[0039]如图1所示，为T1-18Nb-13Zr-0.50合金退火态X射线衍射图谱，可以看到此时合金为完全β相组织。如图2所示，为T1-18Nb-13Zr-0.50合金退火态室温拉伸加载卸载应力-应变曲线。合金的超弹性为3.3%
[0040]实施例4:制备T1-18Nb-13Zr-l.50合金材料
[0041](l)T1-18Nb-13Zr-l.50合金，原材料为O级海绵T1、火器级海绵Zr、Ti_45Nb中间合金、T12粉末，按照成分配比进行配料，经非自耗真空电弧炉熔炼，充分搅拌，熔炼次数为3 ?5 次，得到 T1-18Nb-13Zr-l.50 铸锭；
[0042](2)将上述制得的T1-18Nb-13Zr-l.50合金进行线切割，放入热处理炉内进行热处理，热处理温度820°C下保温2小时后，水淬。
[0043](3)将固溶处理后的合金进行冷乳，变形量75%，在空气中进行；即可得到T1-18Nb-13Zr-l.50 板材；
[0044](4)将冷乳板材在530°C进行Ih退火处理，空冷，获得完全β相组织。
[0045]材料性能:室温超弹性4%，弹性模量50GPa，延伸率6%.
[0046]实施例5:制备T1-18Nb-l IZr-1O合金材料
[0047](I)T1-18Nb-lIZr-1O合金，原材料为O级海绵T1、火器级海绵Zr、Ti_45Nb中间合金、T12粉末，按照成分配比进行配料，经非自耗真空电弧炉熔炼，充分搅拌，熔炼次数为3 ?5 次，得到 T1-18Nb-l IZr-1O 铸锭；
[0048](2)将上述制得的T1-18Nb-llZr-10合金进行线切割，放入热处理炉内进行热处理，热处理温度850°C下保温I小时后，水淬。
[0049](3)将固溶处理后的合金进行冷乳，变形量85%，在空气中进行；即可得到T1-18Nb-l IZr-1O 板材；
[0050](4)将冷乳板材在550°C进行Ih退火处理，空冷，获得完全β相组织。
[0051]材料性能:室温超弹性4.5%，弹性模量55GPa，延伸率14%。
[0052]本发明的超弹性低模量T1-Nb-Zr-O合金材料，采用真空非自耗电弧炉熔炼成T1-Nb-Zr-O铸锭，将铸锭在800?880°C固溶处理，水淬；然后将铸锭进行冷乳，变形率大于75% ;将冷乳板材在500?600°C进行0.5?Ih退火处理，空冷，获得室温超弹性为2.5?4.5%,弹性模量为50?60GPa，延伸率6?20%的超弹性低弹模钛合金，该合金可以广泛用于牙弓丝、支架及其他医疗器件。
【主权项】
1.一种低弹性模量高强钛合金材料，其特征在于:该合金材料由铌、锆、氧和钛组成，其原子百分比组成为铌18%，锆10?13%，氧0.5?1.5%，余量为钛。2.如权利要求1所述的低弹性模量高强钛合金材料的制备方法，包括如下步骤: (1)采用钛、铌、锆和二氧化钛为原料，按照配比进行配料，将称取的原料放入非自耗真空电弧炉内熔炼成T1-Nb-Zr-O合金铸锭； (2)将制得的T1-Nb-Zr-O合金进行固溶处理，水淬； (3)将固溶处理后的合金进行冷乳，变形量多75%，在空气中进行； (4)将冷乳板材进行退火处理，空冷，获得完全β相组织。3.如权利要求2所述的低弹性模量高强钛合金材料的制备方法，其特征在于:所述的固溶处理的温度为800?880°C，时间为I?2小时。4.如权利要求2所述的低弹性模量高强钛合金材料的制备方法，其特征在于:所述的退火处理的温度为500?600°C，时间为0.5?Ih。5.如权利要求2所述的低弹性模量高强钛合金材料的制备方法，其特征在于:铌为钛铌中间合金。6.如权利要求1所述的低弹性模量高强钛合金材料在生物医用材料中的应用。
【专利摘要】本发明涉及一种超弹性低弹性模量钛合金材料及其制备方法和应用，属于生物医用材料领域。该合金材料由铌、锆、氧和钛组成，其原子百分比组成为铌18％，锆10～13％，氧0.5～1.5％，余量为钛。采用真空非自耗电弧炉熔炼加固溶处理、冷轧、短时退火处理，获得的材料的室温超弹性为2.5～4.5％，弹性模量为50～60GPa，延伸率为6～20％，适合于做支架、牙弓丝等生物医用材料。
【IPC分类】A61L31/02, A61L27/06, C22C14/00, C22F1/18
【公开号】CN105714149
【申请号】CN201410736406
【发明人】宋晓云, 叶文君, 惠松骁, 于洋, 刘睿, 李成林
【申请人】北京有色金属研究总院