[发明专利]一种长条状金属间化合物增强的生物Zn-Zr合金及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种长条状金属间化合物增强的生物Zn‑Zr合金及其制备方法和应用。所述生物Zn‑Zr合金以质量百分比计包括下述组分：锌98wt％‑99.5wt％、锆0.5‑2wt％。其制备方法为：按设计组份取锌粉和锆粉，在保护气氛下球磨得到混合粉末；然后在保护气氛下，采用SLM工艺制备Zn‑Zr合金。本发明通过利用选择性激光熔化技术将金属锆与锌进行合金化，使锆与锌形成长条状的金属间化合物Zn₂Zr₃，利用激光快速熔化快速冷却的特点阻止长条状金属间化合物长大，使其能够更好的弥散分布在基体中，利用长条状的金属间化合物Zn₂Zr₃优异的载荷转移能力，增加了Zn‑Zr合金的力学性能，促进了其在组织修复领域的应用。

技术领域

本发明属于生物材料设计和制备技术领域，尤其涉及一种长条状金属间化合物增强的生物Zn-Zr合金及其制备方法和应用。

背景技术

生物材料是用来对人体进行诊断、治疗、修复或者替换病损组织和器官的一类材料。作为一类新型的生物材料，可降解生物材料能在人体内不断分解，并且分解的产物能够被人体所吸收或者排除体外。可降解生物材料包括陶瓷材料、高分子材料以及金属材料。其中，可降解金属材料由于其生物可降解性、优异的生物相容性和易加工性使得其能够作为可降解植入物。其中，锌是一种新型的生物可降解金属材料，近年来引起了研究者的广泛关注。一方面，锌是一种必需的微量元素，涉及几百种转录因子作用的发挥；另一方面，锌具有适中的降解性能，而且降解后的锌元素能够被细胞吸收，不产生细胞毒性。然而，不足的机械性能阻碍了金属锌在骨修复领域的应用。

通过添加合金元素和形变加工可以提高锌基合金的力学性能。添加合金元素主要是通过固溶强化和第二相强化提升力学性能，其中第二相的形状对力学性能的提高有着重要影响，典型的第二相有点状、片状、块状、长条状和不规则状。有研究者发现向锌中添加镁元素能够形成块状的锌镁金属间化合物，这能够提高纯锌的拉伸强度和硬度，但随着镁含量的不断提高，硬质的锌镁金属间化合物逐渐增多，由于形成的锌镁金属间化合物带有尖角，这导致在受力时裂纹容易在尖角处产生，导致其力学性能增强有限。另有研究者在将镁成功合金化到锌中后，再利用轧制、挤压或等通道转角挤压工艺将锌镁合金制造成型，将硬质的金属间化合物压碎变小，发现又进一步提高了其力学性能，但这也导致了锌合金在降解过程中的不均匀腐蚀。因此，如何优化锌基合金中的第二相形状并通过适当制备工艺制造成型，成为提升锌基合金力学性能的关键。

发明内容

针对金属锌力学性能不足的问题，本发明提供一种长条状金属间化合物增强的生物Zn-Zr合金及其制备方法。

所述长条状金属间化合物增强的生物Zn-Zr合金由锆和锌基体组成：锆的含量为0.5-2wt％。

作为优选方案，所述长条状金属间化合物增强的生物Zn-Zr合金中锆的含量为1-2wt％。

进一步优选为，所述长条状金属间化合物增强的生物Zn-Zr合金中锆的含量为1.5wt％。

本发明首次尝试了利用选择性激光熔化(SLM)工艺将锆加入到锌中，制备一种长条状金属间化合物增强的生物Zn-Zr合金，包括下述步骤：

步骤一

按设计组分配取锌粉和锆粉，在保护气氛下，以球料质量比10:1-30:1，球磨转速为250-400r/min，球磨2-4h，得到锌锆混合粉末；

步骤二

以步骤一所得锌锆混合粉末为原料，在保护气氛下，采用SLM工艺制备生物Zn-Zr合金；控制激光功率为80-90W，扫描速率为100-120mm/s，光斑直径为50-70μm，激光扫描间距为20-30μm，铺粉厚度为0.1-0.2mm。