一种超低弹性模量高强度钛合金材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明提供了一种超低弹性模量、高强度钛合金材料的制备方法，属于生物医用材料制备技术领域。
技术背景
[0002]钛合金具有生物相容性好、高比强度、低弹性模量、耐腐蚀等优点，已成为生物医用材料领域内的发展重点。目前临床应用的钛合金主要为T1-6A1-4V及其改进合金，但此类合金弹性模量约为80~110Gpa，较人体组织弹性模量(10~30GPa)仍然较大，与人体骨难以匹配。此外，长期植入体内Al或V离子的析出也会对人体造成潜在危害。在此基础上，设计研发无毒、弹性模量更低的新型β型钛合金成为医用钛合金材料目前的主要发展趋势。
[0003]目前关于超低弹性模量、高强度β钛合金的国内外报道较少。其中Yurie等设计制备了 β 型 Ti29Nb13Ta46Zr 合金，其弹性模量为 60_67Gpa (Mechanical Strengthand Bone Contactability of B1medical Titanium Alloy with Low Young’s ModulusSubjected to Fine Particle Bombarding Process.The Japan Institute of Metalsand Materials, 2014, 78: 163-169) ;Li 等釆用粉末冶金方法制备了超细晶(Ti69.7Nb23.7Zi*4.9TaL7)94 Fe6合金，研究表明合金由β -Ti相与FeTi相组成，所得的弹性模量为52_54Gpa(Ultrafine -grained T1-based composites with high strength and low modulus.Materials Science & Engineering A, 2013, 560: 857-861); Chrominski 等制备了 β型 Ti_45Nb 合金，其弹性模量为 57_68Gpa (Enhancement of mechanical properties ofb1compatible T1- 45Nb alloy by hydrostatic extrus1n.Journal of MaterialsScience, 2014, 49: 6930-6936)。目前所报道的新型β钛合金弹性模量仍然较人体组织(10~30GPa)存在较大差距，因此发展无毒并具有超低弹性模量以及高强度的钛合金在生物医用材料领域具有重要应用前景。
[0004]本专利提出通过制备β +FCC-Ti双相钛合金来大幅度降低钛合金的弹性模量，并可在保持钛合金高强度的基础上改善其塑形指标。目前，国内外还未见到相关研究报道。
【发明内容】
[0005]为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种超低弹性模量高强度钛合金材料的制备方法，可广泛应用于生物医用材料领域。
[0006]本发明的技术方案是:一种超低弹性模量高强度钛合金材料的制备方法，具体步骤如下:
步骤1:配比原料:以Ti粉、Mo粉和Fe粉为主要原料，各种成分的按照质量百分比计为:Mo含量5~12%，Fe的含量为0~9%，同时成分满足Mo当量范围为6~38wt%，Mo 当量计算公式为:[Mo]当量=%Mo+%Fe/0.35+%Cr/0.63+%Mn/0.65+%Ni/0.8+%V/1.5+%ff/2+%Nb/3.6+%Ta/4.5，余量为Ti和及其他微量合金元素，备用；
步骤2:将步骤I得到的混合粉末进行高能球磨，球磨过程在惰性气体保护下进行，球料比为5: 1-20: 1，转速600~1500r/min，球磨时间为2~30h，得到成分均匀分布且晶粒尺寸(150nm的复合粉末；
步骤3:将步骤2得到的球磨粉末装入石墨模具中，再置入放电等离子烧结炉中，施加10~80MPa的轴向压力，采用真空度10_2?6Pa的真空条件或惰性气体保护下进行烧结，以速度为50?300°C /min升温，升温至800?1000°C，保温后随炉冷却至室温，即可得到由β +FCC-Ti两相组成的钛合金块体材料其致密度为97.0 %以上。
[0007]本发明的优势在于:
(I)所制备新型β +FCC-Ti双相钛合金材料具超低弹性模量及高强度、高塑性的特点，其弹性模量指标与自然骨匹配，具有优异的生物力学适应性，其致密度为97.0%以上，其弹性模量为15~32GPa，压缩强度为2000~2800Mpa (2)所制备钛合金具有超细晶组织结构，使其具有较高的造骨细胞粘附力，表现为更为优异的生物相容性。
[0008]( 3 )工艺方法简单、制备周期短，可实现数控操作，制备工艺可重复性强。
【附图说明】
[0009]图1为本发明制备的T1-8Mo_3Fe合金显微组织的扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0010]下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
[0011]实施例1
以T1、Mo和Fe元素粉末为原料，粒度均为-500目，按照名义成分T1-8Mo-3Fe(钥当量为16.6wt.%)进行配比。将混合粉末进行振动式高能球磨，球磨过程在高纯氩气保护下进行，球料比10:1，转速1000r/min。球磨1h后收集到平均晶粒尺寸为15nm左右的复合粉末。将球磨粉末放入Φ20的石磨模具中，随后把石磨模具放入放电等离子烧结炉内，系统抽真空至2Pa，外加轴向压力均为40MPa，以100°C /min的速度升温至900°C，保温5min后随炉冷却，即得到T1-8Mo-3Fe合金块体材料。经检测，制备合金样品由β +FCC-Ti两相组成，其致密度为98.95%，合金。样品的力学性能为:弹性模量为23.69GPa，抗压强度为2465MPa，压缩断裂应变为34.7%。制备样品的高分辨场发射扫描电镜照片如附图1所示。
[0012]实施例2
以T1、Mo元素粉末为原料，粒度均为-325目，按照名义成分T1-6Mo(钥当量为6 wt.%)进行配比。将混合粉末进行振动式高能球磨，球磨过程在高纯氩气保护下进行，球料比10:1，转速1200r/min。球磨8h后收集到平均晶粒尺寸为32nm左右的复合粉末。将球磨粉末放入Φ20的石磨模具中，随后把石磨模具放入放电等离子烧结炉内，系统抽真空至2Pa，外加轴向压力均为40MPa，以100°C /min的速度升温至1000°C，保温5min后随炉冷却，即得到T1-6Mo合金块体材料。经检测，制备样品的致密度为98.49%。样品的力学性能为:弹性模量为19.44GPa，抗压强度为2248MPa，压缩断裂应变为31.3%。
[0013]实施例3
以T1、Mo和Fe元素粉末为原料，粒度均为-500目，按照名义成分T1-8Mo_9Fe (钥当量为33.7 wt.%)进行配比。将混合粉末进行振动式高能球磨，球磨过程在高纯氩气保护下进行，球料比15:1，转速800r/min。球磨12h后收集到平均晶粒尺寸为9nm左右的复合粉末。将球磨粉末放入Φ20的石磨模具中，随后把石磨模具放入放电等离子烧结炉内，系统抽真空至2Pa，外加轴向压力均为40MPa，以100°C /min的速度升温至850°C，保温5min后随炉冷却，即得到T1-8Mo-9Fe合金块体材料。经检测，制备合金样品由β +FCC-Ti及少量TiFe相组成，其致密度为98.37%，合金样品的力学性能为:弹性模量为30.71GPa，抗压强度为2591MPa，压缩断裂应变为17.9%。
[0014]实施例4:
以T1、Mo和Fe元素粉末为原料，粒度均为-500目，按照名义成分T1-9Mo-6Fe_2Cr (钥当量为29.2wt.%)进行配比。将混合粉末进行振动式高能球磨，球磨过程在高纯氩气保护下进行，球料比20:1，转速600r/min。球磨25h后收集到平均晶粒尺寸为32nm左右的复合粉末。将球磨粉末放入Φ20的石磨模具中，随后把石磨模具放入放电等离子烧结炉内，系统抽真空至6Pa，外加轴向压力均为80MPa，以300°C /min的速度升温至850°C，保温5min后随炉冷却，即得到T1-9Mo-6Fe-2Cr合金块体材料。经检测，制备合金样品由β +FCC-Ti组成，其致密度为97.7%，合金样品的力学性能为:弹性模量为29.6GPa，抗压强度为2223MPa，压缩断裂应变为27.9%。
[0015]实施例5:
以T1、Mo和Fe元素粉末为原料，粒度均为-500目，按照名义成分T1-5Mo-7Fe(钥当量为25wt.%)进行配比。将混合粉末进行振动式高能球磨，球磨过程在高纯氩气保护下进行，球料比15:1，转速700r/min。球磨5h后收集到平均晶粒尺寸为95nm左右的复合粉末。将球磨粉末放入Φ20的石磨模具中，随后把石磨模具放入放电等离子烧结炉内，系统抽真空至5Pa，外加轴向压力均为60MPa，以250°C /min的速度升温至900°C，保温5min后随炉冷却，即得到T1-5Mo-7Fe合金块体材料。经检测，制备合金样品由β +FCC-Ti及少量TiFe相组成，其致密度为97.9%，合金样品的力学性能为:弹性模量为30.9GPa，抗压强度为2346MPa，压缩断裂应变为18.7%。
【主权项】
1.一种超低弹性模量高强度钛合金材料的制备方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下: 步骤1:配比原料:以Ti粉、Mo粉和Fe粉为主要原料，各种成分的按照质量百分比计为:Mo含量5-12%，Fe的含量为0_9%，同时成分满足Mo当量范围为6_38wt%，Mo当量计算公式为:[Mo]当量=%Mo+%Fe/0.35+%Cr/0.63+%Mn/0.65+%Ni/0.8+%V/l.5+%ff/2+%Nb/3.6+%Ta/ 4.5，余量为Ti和及其他微量合金元素，备用； 步骤2:将步骤I得到的混合粉末进行高能球磨，球磨过程在惰性气体保护下进行，球料比为5: 1-20: 1，转速600~1500r/min，球磨时间为2~30h，得到成分均匀分布且晶粒尺寸(150nm的复合粉末； 步骤3:将步骤2得到的球磨粉末装入石墨模具中，再置入放电等离子烧结炉中，施加10~80MPa的轴向压力，采用真空度10_2~6Pa的真空条件或惰性气体保护下进行烧结，以速度为50~300°C /min升温，升温至800~1000°C，保温后随炉冷却至室温，即得到钛合金块体材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钛合金块体材料主要由β+FCC-Ti两相组成，其致密度为97.0%以上，其弹性模量为15~32GPa，压缩强度为2000~2800Mpa。
【专利摘要】发明提供了一种超低弹性模量高强度钛合金材料的制备方法，属于生物医用材料制备技术领域。以Ti、Mo、Fe元素粉末为主要原料，按照钼当量为6~38wt.%进行成分配比，将混合粉末进行高能球磨，通过调整球磨工艺参数得到纳米晶钛基复合粉末。将球磨粉末装入石墨模具内并进行放电等离子烧结，烧结温度为800~1000℃，保温后随炉冷却即可得到钛合金块体材料。该方法的优势在于：工艺简单制备周期短，所制备合金主要由β-Ti以及FCC-Ti两相组成，并具有超细晶的组织结构特点。制备的新型钛合金具超低弹性模量及高强度、高塑性的特征，其弹性模量指标与自然骨匹配，具有优异的生物力学适应性。
【IPC分类】C22C14-00, C22C1-04
【公开号】CN104611611
【申请号】CN201510032826
【发明人】路新, 夏青, 徐伟, 曲选辉, 王涛
【申请人】北京科技大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月22日