[发明专利]一种Ti-Nb-Ta-Zr-Mn合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Ti‑Nb‑Ta‑Zr‑Mn合金及其制备方法，该合金由如下原子百分比组成：钛55％～58％；铌28％～29％；铊6％～7％；锆4％～5％；锰1％‑4％。Ti‑Nb‑Ta‑Zr‑Mn合金的制备方法包括：a、配料和预处理；b、熔炼；c、固溶过程中施加旋转电磁场，冷却获到所述Ti‑Nb‑Ta‑Zr‑Mn合金。发明的有益效果是：通过添加元素Mn和施加旋转电磁场在保障合金弹性模量的同时，有保障了合金具有良好的那腐蚀性和较高的伸长率、屈服强度、抗拉强度和硬度。

技术领域

本发明具体涉及医疗器械领域，特别涉及一种Ti-Nb-Ta-Zr-Mn合金及其制备方法。

背景技术

钛及钛合金被广泛地应用在矫形外科、骨骼置换及关节修复等生物、医疗领域，这是由于它们具有较低的密度、高的比强度、良好的耐蚀性和生物相容性等一系列优点。目前,在临床医学中应用的钛及钛合金主要是纯Ti(CP-Ti)和Ti-6Al-4V(TC4)合金，但它们具有较高的弹性模量(～110GPa)，远高于人骨(3-20GPa)，如果植入人体，会对周围的骨骼产生“应力屏蔽”，导致植入体周围出现骨吸收，最终引起植入体的无菌松动，缩短使用寿命。另外，在TC4合金中析出的极微量的钒离子和铝离子，会降低细胞的适应性，长期使用存在安全隐患。研究表明，在构成钛合金的各类相中，具有体心立方结构的β相弹性模量最低。因此，研究无毒的、具有更低弹性模量和更好生物相容性的新型生物医用β型或亚稳β型钛合金已成为近年来的研究热点之一。

Ti-Nb-Zr-Ta合金(如Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr等)包含的元素Nb、Zr和Ta或是与Ti同晶型(Nb和Ta)或中性(Zr)的β相形成元素，能无限固溶于β相中，而不形成化合物，其弹性模量仅为55GPa，且不包含有毒元素，具有优良的生物相容性。但该类合金的一个最大的缺点是强度低，其抗拉强度低于500MPa，不能满足其作为人工髋关节等植入物性能的要求，限制了其在医疗和生物领域中的应用。在Ti-35Nb-7.2Zr-5.7Ta合金中加入微量的B，形成TiB，能够提高合金的强度，但B降低了植入物与MG-63等骨细胞的附着性，还恶化植入物的耐磨性。经时效处理，析出α相，Ti合金的强度显著增加，但同时弹性模量也增加到100GPa以上。

Mn是强β相稳定元素，且其在β-Ti中的固溶度达33％，对β相具有极强的固溶强化效应。作为世界卫生组织确认的14种人体必需的微量元素之一，微量Mn对维持人体正常的新陈代谢具有重要作用。最近，对医用Ti-Mn合金的浸渍和细胞活性试验表明，当Mn≤13％时，Ti-Mn合金具有优良的细胞存活率，与CP-Ti的相当。本发明的目的是通过加入少量的Mn强化Ti-Nb-Zr-Ta合金，而不增加或少增加弹性模量，同时提高力学性能，改善化学腐蚀性能，以期性能优良含Mn的β型Ti合金有更广泛的生物医用。

旋转磁场能够改变β相局部聚集的不均匀分布状态，随着磁场搅拌速度的提高，β相由局部聚集转变为均匀分布，进而获得较高的伸长率、屈服强度、抗拉强度和硬度。另外，施加旋转磁场能够提高含合金的耐腐蚀性。

因此，一种的Ti-Nb-Ta-Zr-Mn合金及其制备方法成为解决问题的关键。

发明内容

本发明的一个目的提供一种Ti-Nb-Ta-Zr-Mn合金，其具有较高抗拉强度和较低的弹性模量。

本发明还有一个目的在于提供一种Ti-Nb-Ta-Zr-Mn合金的制备方法，其制备的合金具有较高抗拉强度和较低的弹性模量。

为实现上述目的，本发明提供一种Ti-Nb-Ta-Zr-Mn合金，该合金由如下原子百分比组成：

钛55％～58％；

铌28％～29％；

铊6％～7％；

锆4％～5％；

锰1％-4％。