[发明专利]一种加工硬化能力高的铁锰合金及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种加工硬化能力高的铁锰合金及其制备方法和应用，属于医用高强铁锰合金制备技术领域。所述铁锰合金中，Mn含量为17.5‑18.5wt％，氧含量小于等于0.03wt％，余量为铁；所述铁锰合金的屈服强度为220‑300MPa、极限抗拉强度为870‑998MPa。其所述铁锰合金以Fe‑Mn预合金粉末为原料；采用3D打印技术制备出打印坯，然后在保护气氛下于450‑700℃进行热处理；得到产品，3D打印的参数为：激光功率200‑220W，扫描速度680‑720mm/s。本发明在确保产品具有一定的屈服强度的同时，大幅提升产品的抗拉强度，进而达到提升产品加工硬化能力的目的。本发明组分简单可控，产品加工硬化能力强，便于用作生物医用材料。

技术领域

本发明涉及一种加工硬化能力高的铁锰合金及其制备方法和应用，属于医用高强铁锰合金制备技术领域。

背景技术

在金属生物材料中，可生物降解合金在过去十年中在骨科植入应用中受到越来越多的关注。它是一种新型生物活性材料，在3到6个月提供稳定的力学支撑，并且在1到2年完全被人体吸收，无不良病理生理学和毒理学影响，这意味着不仅减轻了二次手术的成本，而且减轻了病人的痛苦。在这类医用金属中，铁基金属，特别是铁锰(Fe-Mn)系合金，它具有优异的力学性能和可加工性，在溶解度极限范围内，Mn的加入使得Fe基体更容易腐蚀，提高其在生理介质中的降解率；同时Mn是人体内正常大脑和神经功能以及骨和结缔组织形成所需的一种必需微量矿物质(参考文献：M.Aschner,T.R.Guilarte,J.S.Schneider,W.Zheng,Manganese:recent advances inunderstanding its transport and neurotoxicity[J],Toxicol.Appl.Pharmacol.[J].221(2007)131–147)。因此，优异的力学、降解性能和生物相容性使得Fe-Mn合金成为候选的可降解骨植入材料。

另一方面，骨替代品需要针对复杂多样的骨缺损部位进行合理的个性化设计。激光粉末床熔融(LPBF)是一种很有前途的3D打印技术，当与计算机辅助设计(CAD)相结合时，可以产生复杂的分层结构，具有尺寸精度高、加工时间短等优点。因此，相对于传统制造工艺，它是一种理想的骨植入材料制备方法，在铁基可降解金属领域展现了极大潜力。由于Mn大于29.wt％时，Fe-Mn合金降解速率大大提高，因此关于增材制造Fe-Mn合金的少数报道都集中在30Mn和35Mn系合金，而高Mn含量势必会产生一定的神经毒性。据Hermawan等人报道，Mn含量≤20wt.％时更容易形成双相结构(即γ-fcc相/α'-bcc相+ε-hcp相)，相界面阻碍剪切变形提高力学性能，目前传统粉末冶金工艺中报道过的双相Fe-Mn合金能达到最高抗拉强度值为702MPa(参考文献：H.Hermawan,D.Dube,D.Mantovani,Degradable metallicbiomaterials:Design and development of Fe-Mn alloys for stents[J],Journal ofBiomedical Materials Research Part A 93A(1)(2008)1-11)。与此同时，不同相之间的电位差最终会增加腐蚀倾向，这在我们本课题组最近的工作中已经得到了证实(参考文献：P Liu，H Wu et al.,Microstructure,mechanical properties and corrosion behaviorof additively-manufactured Fe–Mn alloys[J],Materials ScienceEngineering A852(2022)143585)。除此之外，本课题组前期还利用Fe、Mn元素粉3D打印出了双相Fe-Mn合金(如专利2021107262170)；但该专利所得产品的极限抗拉强度仅仅做到了855-858MPa。