本發明專利技術公開了一種低彈性模量β-Zr型生物醫用合金及其制備方法，該生物醫用合金的化學成分為：ZraAlbFecMd，其中a、b、c、d為摩爾百分數，其中70≤a≤75，5≤b≤10，5≤c≤15，9≤d≤15,且a+b+c+d＝100；M為金屬元素Ti、Nb、Ta、Hf中的至少一種。本發明專利技術能有效降低彈性模量與骨骼不匹配所造成的應力遮擋效應；具有較高的屈服強度，可以調整鋯合金的彈性模量、壓縮強度和塑性變形量等性能；且僅需要采用真空電弧爐熔煉后直接在水冷銅坩堝中冷卻，即可得到組織均勻的β型鋯合金鑄錠，制備工藝簡單，應用前景好。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于材料領域，具體地，本專利技術涉及一種低彈性模量β-Zr型生物醫用合 金及其制備方法。
技術介紹
生物醫用金屬材料，用于整形外科、牙科等領域，可半永久性或永久性地植入體 內，具有治療、修復、替代人體組織和器官的功能，是生物醫用材料的重要組成部分。在需承 受較高荷載的骨、牙部位，如：骨折內固定板、螺釘、人工關節和牙根種植體等，醫用金屬材 料仍為首選的植入材料。隨著人口老齡化現象的嚴重化，由于人體骨骼衰老導致的骨骼疾 病日益增多；同時，機械性損傷及運動損傷等也呈增長趨勢，這就使得人們對生物醫用金屬 材料的需求大大增加。 目前已用于臨床的醫用金屬材料主要有醫用純鈦、Ti-6A1-4V合金、316L型醫 用不銹鋼和Co-Cr-Mo合金等。這些金屬材料都具有良好的力學性能和耐腐蝕性能。但 是，當它們作為骨科植入材料應用時，由于其彈性模量遠高于人體骨骼（Ti-6A1-4V合金： 105-110GPa，316L型醫用不銹鋼：200 ~210GPa，C〇-Cr-Mo合金：210 ~255GPa，人體骨骼： 10~40GPa)，造成"應力遮擋"效應，即原作用于骨骼局部的應力負荷大部分為植入材料所 承受，使骨折愈合或骨的生長缺乏應力刺激而導致骨重建負平衡，產生骨密度降低、骨結 構紊亂和骨皮質、骨松質疏松等涉及骨材料性能方面的改變，以及產生髓腔擴大、皮質變 薄等涉及骨的結構性能方面的改變，從而帶來臨床上骨折延遲愈合，甚至不愈合等問題。 因此作為骨組織修復和替代用的醫用金屬材料，應具有與骨骼相匹配的彈性模量，這有利 于降低"應力遮擋"效應，促進骨骼修復和愈合，這也是設計生物醫用金屬材料的一個重要 原則。 鋯元素具有較低的彈性模量、優異的耐蝕性能，同時鋯元素具有優異的生物相容 性，因此鋯合金在生物醫用材料方面表現出良好的應用前景。目前工業上大量應用的主要 是鋯錫和鋯鈮合金，廣泛用于作水冷核反應堆的堆芯結構材料（燃料包殼、壓力管、支架和 孔道管）。近年來，鋯基非晶合金由于其具有高強度、高硬度、低彈性模量、高斷裂韌性和 高疲勞抗性等優異的性能而備受關注，其在生物醫用領域的應用也成為了研究熱點。例如 鋯基非晶合金具有比常用的醫用金屬材料如Ti-6A1-4V合金、醫用純鈦、Co-Cr-Mo合金及 316L不銹鋼更高的比強度，這樣有利于減小植入器械的尺寸，從而減少手術帶來的組織損 傷；鋯基非晶合金具有比傳統醫用金屬材料更接近人體骨骼的彈性模量（鋯基非晶合金： 70~90GPa)，能大大減小由于植入金屬材料與骨骼彈性模量不匹配造成"應力遮擋"效 應。但是非晶合金在室溫環境下塑性較差，這在一定程度上限制了它們的應用。專利中報道了一種高鋯含量的塑性ZrAlFe塊體非晶合金及其制備方法，該合金通 過提高合金中的鋯含量，具有較好的壓縮塑性變形能力，同時彈性模量降低到70GPa。但是 與人體骨骼的彈性模量相比仍然較高，另外該合金制備工藝較為苛刻，采用銅模鑄造工藝 能制備出完全非晶態合金的樣品直徑小于2_。當樣品尺寸大于2_時，得到的為不完全非 晶態的合金，合金的力學性能嚴重惡化。因此，本專利技術開發一種ZrAlFeM合金，Μ為金屬元 素Ti、Nb、Ta、Hf的一種或兩種及以上的組合。該合金為β-Zr相和ZrAlFe共晶相的復相 材料，彈性模量在45~65GPa之間，能有效降低傳統生物醫用金屬材料的彈性模量與骨骼 不匹配所造成的應力遮擋效應；利用Ti、Nb、Ta、Hf元素進行固溶強化，并可通過調整合金 化元素含量來調節β-Zr相和ZrAlFe共晶相的體積分數，從而調整鋯合金的壓縮強度、塑 性變形量和彈性模量等性能；該合金生產工藝簡單，具有優良的綜合使用性能，在生物醫用 領域具有良好的應用前景。
技術實現思路
為實現上述目的，本專利技術提供了一種低彈性模量β_Zr型生物醫用合金及其制備 方法。本專利技術能有效降低彈性模量與骨骼不匹配所造成的應力遮擋效應；具有較高的屈服 強度，可以調整鋯合金的彈性模量、壓縮強度和塑性變形量等性能；且僅需要采用真空電 弧爐熔煉后直接在水冷銅坩堝中冷卻，即可得到組織均勻的β型鋯合金鑄錠，制備工藝簡 單，應用前景好。 為達到上述技術效果，本專利技術的技術方案是： -種低彈性模量β-Zr型生物醫用合金，該生物醫用合金的化學成分為： ZraAlbFecMd，其中a、b、c、d為摩爾百分數，其中 70 <a< 75, 5 <b< 10, 5 <c< 15， 9彡d彡15,且a+b+c+d= 100 ;M為金屬元素Ti、Nb、Ta、Hf中的至少一種。 進一步的改進，所述生物醫用合金的化學成分為ZrreAlsFenjNbuj。 進一步的改進，所述生物醫用合金的化學成分為Zr7QAl5Fe1QTa15。 進一步的改進，所述生物醫用合金的化學成分為Zr75Al5Fe1()Ta5Hf5。 -種低彈性模量β_Zr型生物醫用合金的制作方法，包括如下步驟： 步驟1)按照ZraAlbFeeM d合金成分稱取Zr、Al、Fe、M各元素，混合均勻后得到熔煉 原料；其中a、b、c、d為摩爾百分數，70彡a彡75,5彡b彡10,5彡c彡15,9彡d彡15,且 a+b+c+d= 100 ;M為金屬元素Ti、Nb、Ta、Hf的中的至少一種； 步驟2)將熔煉原料放入加熱裝置中，調節加熱器內的真空度至 2X10 3Pa-5X10 3Pa，在氬氣保護下進行熔煉，熔煉溫度2000~2800°C;反復熔煉，熔煉次 數彡4,得到ZraAlbFecM d合金鑄錠； 步驟3)在氬氣保護下，對合金鑄錠進行快速冷卻，冷卻至室溫后取出，即得到組 織均勻的β-Zr型生物醫用合金。 進一步的改進，所述步驟1)中，加熱裝置為真空電弧爐或高頻感應加熱器。 進一步的改進，所述步驟3)中，合金鑄錠由液態到固態的冷卻時間為10~30秒。 進一步的改進，所述步驟3)中，將合金鑄錠放入水冷銅坩堝中，利用水冷銅坩堝 底部流動的水對合金鑄錠進行快速冷卻。 進一步的改進，所述步驟2)和步驟3)中，氬氣的純度多99. 999%。 本專利技術的優點如下所述： (1)該合金為β-Zr相和ZrAlFe共晶相的復相材料，β-Zr相具有低的彈性模量， 將合金的彈性模量降低至45~65GPa之間，降低了 "應力遮擋"效應。 (2)ZrAlFe共晶相具有高的強度和硬度，合金具有高的屈服強度為800~ 1200MPa〇 (3)利用Ti、Nb、Ta、Hf元素進行固溶強化，并可通過調整合金化元素含量來調節 β-Zr相和ZrAlFe共晶相的體積分數，從而調整鋯合金的彈性模量、壓縮強度和塑性變形 量等性能。 (4)該合金僅需要采用真空電弧爐熔煉后直接在水冷銅坩堝中冷卻，即得到組織 均勻的β-Zr型鋯合金鑄錠，制備工藝簡單可靠。【具體實施方式】 實施例1 一種具有低彈性模量β-Zr型生物醫用合金的制備方法，具體步驟如下"該合 金的化學成分為ZraAlbFeeM d，其中a、b、c、d為摩爾百分數，70彡a彡75,5彡b彡10， 5彡c彡15,9彡d彡15,且a+b+c+d= 100 ;M為金屬元素Ti、Nb、Ta、Hf的一種或兩種及 以上的組合。 步驟一：配料 按上述ZraAlbFee本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種低彈性模量β?Zr型生物醫用合金，其特征在于，該生物醫用合金的化學成分為：ZraAlbFecMd，其中a、b、c、d為摩爾百分數，其中70≤a≤75，5≤b≤10，5≤c≤15，9≤d≤15,且a+b+c+d＝100；M為金屬元素Ti、Nb、Ta、Hf中的至少一種。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：花能斌，
申請(專利權)人：福建工程學院，
類型：發明
國別省市：福建;35
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