[发明专利]一种低弹性模量补牙用β型钛合金及其制造方法

说明书

一种低弹性模量补牙用β型钛合金，其特征在于所述合金成分按照重量百分比分别为：Mo：23‑24、Nb：12‑13、Zr：2.5‑2.8、Al：2.1‑2.2、Cr：1.1‑1.7、Ag：0.5‑0.6、Fe：0.2‑0.3、Ta：0.4‑0.7、Cu 0.15‑0.2、Hf：0.3～0.45、Sn：0.2～0.4、Er：0.05‑0.08、O≤0.05、H≤0.01、C≤0.02、N≤0.01％、剩余部分为Ti及不可避免的杂质构成，经热处理后形成的β型钛合金中平均结晶粒径为20‑40μm；屈服强度900‑1000MPa，抗拉强度1020‑1150MPa，延伸率15‑17％，杨氏模量40‑60GPa，初生α相体积分数为22‑25％，尺寸为2‑3微米，次生α相体积分数为20‑25％。

技术领域

本发明属于合金领域，特别涉及一种生物医用β-钛合金材料。

背景技术

钛合金由于具有较高的强度、较低的弹性模量、良好的生物相容性以及优良的耐腐蚀性能，已经逐渐取代不锈钢和钴基合金成为骨骼和牙齿等硬组织的替代材料。目前临床上应用最为广泛的钛合金是α+β型Ti-6Al-4V，但该合金在植入人体一定时间以后由于磨损和腐蚀会释放出具有细胞毒性和神经毒性的Al离子，引起骨软化、贫血和神经紊乱等症状，此外V也被认为是对生物体有毒的元素；而且该合金的弹性模量在115GPa左右，仍大大高于人骨的弹性模量(小于40GPa)。因此，从九十年代开始各国科学家致力于研发生物相容性更好、弹性模量更低的β钛合金，而Nb、Ta、Zr、Sn和Mo等无毒元素逐渐成为合金的主要添加元素。

钛的熔点为1668℃，具有两种同素异构晶体，在温度低于882℃时呈hcp晶格结构，称为α-Ti；在温度高于882℃以上时呈bcc晶格结构，称为β-Ti。利用钛具有密排六方和体心立方结构的特点，通过添加一定比例的合金元素，改变相变温度，获得不同组织成分的钛合金。根据亚稳定状态下β稳定元素含量和相组织，把钛合金分为三大类：α型钛合金、(α+β)型钛合金和β型钛合金，牌号分别为TA、TC、TB。近β钛合金、亚稳β钛合金和稳定β钛合金统称为β钛合金，是应用最广泛的一类钛合金。β钛合金具有最高的比强度，其远高于高强度镁合金、铝合金、高温合金和高强度结构钢，高比强度满足了现代飞机减轻结构质量和提高飞行速度的要求。β钛合金具有低的弹性模量和导热系数，其弹性模量只有钢的二分之一左右，且表现出明显各向异性，强度与韧性匹配优异。

牙齿损伤是口腔科的一种常见病和多发病，以金属材料作为补牙用材料已经很普遍，但是如何使这类补牙用金属材料具有很好的强度、耐磨性、塑性、生物相容性、低成本一直是研究的目标。β钛合金是生物医学领域用途很广泛。

通常金属材料的制造可以是金属液铸造、粉末冶金和超塑性成型等技术。其中，临床医学中应用最多的技术是铸造，虽然该技术的原理简单，容易为操作者所掌握，但它的工序繁琐，而且也难以复合牙齿一类材料的精密、精准制造。粉末冶金能够克服合金元素的偏析，但同样存在难以复合牙齿一类材料的精密、精准制造的困扰。如果精度较差，患者口腔会有有异样感，甚至出现口腔组织变形、疼痛等症状，因此对补牙用的金属材料需要更加安全无害、舒适、个性化定制。

3D打印也叫增材制造，3D打印的逐步发展深入影响了传统制造模式，是技术发展进程中的重要产物，其通过重建设计三维数字化模型，采用离散材料逐层累加原理制造实体零件，让整个制造过程真正实现了智能化与数字化。激光选区熔化是应用最广泛的金属3D打印技术，它是一种基于激光熔化金属粉末的增材制造技术，集激光技术、数字智能化控制技术、计算机辅助设计分析、快速成型于一体，能直接制造冶金结合、组织致密、力学性能良好、精度高的金属零部件。金属3D打印成型技术作为一种新型的精密制造手段，结合计算机三维建模与计算机辅助设计，使其具有替代传统牙齿铸造工艺的可能。特别是增材制造技术具有个性化程度高、工序简单、制作周期短、材料利用率高等优点，恰好可以满足口腔修复个性化、复杂化、高难度的技术要求，同时弥补现有技术的不足，因此金属3D打印已经越来越多的被应用到口腔修复体的制造当中，成为了口腔数字化加工不可或缺的新兴技术。

发明内容