[发明专利]一种新型3D打印医用TiNbZr球形合金粉的制备及3D打印的方法

说明书

本发明涉及一种3D打印新型医用钛合金球形粉末的制备及3D打印方法。所述医用钛合金含有钛、铌、锆3种金属成分，具体成分按原子百分计量（包括但不限于）为：Ti 64%，Nb 13%Zr 13%，以及不可避免的微量杂质。该材料的制备方法包括熔炼；锻造；车铣；气体雾化制粉；气流分级；激光3D打印等步骤。该材料的制备方式为真空电弧熔炼技术以及气体雾化相结合的形成方法，金属板条经过捆扎，电弧熔炼然后锻造成棒材；车床加工至制粉设备要求的尺寸，最后采用高纯氩气作为雾化介质进行气体雾化制粉，将得到的粉末采用气流分级机按要求的粒度范围进行分级，最终得到适合3D打印的医用钛铌锆合金球形粉。本发明可以制得氧含量低，球形度高，流动性好，卫星球少，强度高，弹性模量低的α+β双相医用钛合金粉末，该合金粉末具有优异的生物相容性，综合力学性能良好，同时不含任何有毒元素，推广应用前景良好。

技术领域

本发明涉及到新型金属3D打印医用球形粉的制造方法，尤其涉及高熔点钛铌锆合金的医用球形粉的制造方法，属于稀有金属粉末冶金工业技术领域。

背景技术

生物医用材料是以医疗为目的，用来治疗修复以及替换人体组织或者增加组织功能的一种材料，目前用于制造人体骨骼或者关节的材料主要有高分子材料，金属材料以及复合材料，金属材料由于具有很高的强度，良好的韧性以及优异的加工性能常用于人工膝关节、股关节以及一些牙齿种植体义齿支架等，在外科移植手术上应用广泛。

医用金属材料常用的有医用不锈钢、钴铬钼合金以及TC4钛合金等，TC4钛合金相比于前两种合金材料由于具有高强度，低密度，耐腐蚀性能好以及更好的生物相容性等一系列的优点，在生物工程领域应用广泛。但TC4钛合金材料含有毒元素Al以及V，同时该材料弹性模量超过人体骨骼好几倍，容易引起应力遮挡，导致“骨不粘”以及植入体脱落等问题。

相比于TC4钛合金，TiNbZr合金不含有任何有毒有害元素，Nb的生物相容性非常好，并且为β相稳定剂，Zr可以无限固溶在Ti中，改善合金的强度与韧性，该合金弹性模量在65-70GPa，是目前文献报道过最低弹性模量之一，比TC4合金(110-114GPa)低了大约一半，强度相比于TC4合金并未有降低，抗拉强度在1050MPa左右。同时Zr的熔点为1850℃，Nb的熔点高达2468℃，属于难熔合金，目前并未有任何资料报道该类合金的球形粉末的制备方法。

传统的制备高性能钛合金制品的方式都为减材制造，该方法对锻造设备的要求很高，同时材料利用率低，产生大量废弃钛材，正是由于这些原因导致钛制品的成本居高不下。并且传统的制备钛合金制品的方法在生物工程上面的应用受到很大局限，基于模具很难制备出与人体贴合度很高的零部件出来。

传统的铸造方法成形的钛合金零部件，晶粒粗大，同时钛合金活性大，传统工艺成形很难控制，容易产生偏析。晶粒粗大以及偏析容易导致材料耐磨性能差，导致综合力学性能差，作为人体植入存在很大隐患。

3D打印技术通过三维扫描成型出人体骨骼的模型，然后通过电脑建模，输入设备后直接打印成型，该类方法工艺简单，能够节省大量人力资源，同时材料利用率非常高，一次成型，经过简单的后处理就可以直接使用，能够成形各种复杂的零部件。

同时3D打印属于快速加热快速冷却成型，能够抑制晶粒长大，形成的晶粒细小均匀，具有更高的强度以及更好的韧性，能够更好的作为植入材料植入人体，消除了该材料在力学上面存在的安全隐患。

由于该合金具有的高熔点，相比于普通TC4钛合金熔点高出1000多摄氏度，3D打印成型该材料的零部件并未有任何资料报道，本发明提供了一种该合金粉末的球形粉制备方法以及一种3D打印成型方法。

发明内容

本发明主要针对目前该材料球形粉末制备的研究空白，提出一种该高熔点合金的球形粉末制备方法，同时将其通过3D打印成所需要的零部件。解决了传统的减材制造或等材制造难以加工TiNbZr合金的难题，本发明中所述的激光金属3D打印能够解决TiNbZr合金难以加工的难题，将其制成个性化人体植入假体。其步骤如下：