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醫用β鈦合金制作工藝

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發表時間:2017-12-04 14:30

醫用β鈦合金制作工藝

在國內外使用的醫用植入物金屬材料主要有:316、CoCr合金、鈦及鈦合金。與人體骨質彈性模量相比,鈦及鈦合金最為貼近。目前該類應用最多的是商業純鈦和Ti-6Al-4V為主,而新型的β合金,由于擁有與骨骼最相近的彈性模量,目前備受關注。其工藝設計為:

  1、合金成分

   鈦合金設計中,α穩定元素(Al,O,N等)和β穩定元素(V,Mo,Nb等)決定了合金的類別歸屬。α合金僅有α相;近α合金含有少量β穩定元素;α+β合金含有更高的β穩定元素;β合金僅有β相。

研究認為:Nb、Zr、Mo、Ta作為醫用β鈦合金添加元素,添加到一定含量后,通過快冷可獲得亞穩定β相,能有效降低合金的彈性模量,但此類合金元素的添加量不能過高,過高會導致脆性ω相析出,導致合金變脆,彈性模量增加。因此合理選擇并控制添加量是獲得理想低模量的關鍵。典型的是TNZ系列合金(包括Ti-13Nb-13Zr、Ti-13Nb-20Zr等)。

   2、熱處理

   為獲得理想的β相組織,β型合金要進行β相區充分固溶處理后快速冷卻(如水淬火)。歸納醫用β相合金的熱處理為:

1)大變形量的冷變形+退火處理或大變形量的熱加工變形(β相區或α+β兩相區);

2)熱機械加工處理后,在β相區的充分固溶,快冷,盡可能地獲得全β組織。

    3、晶粒超細化

    細化晶粒是金屬材料獲得優異綜合力學性能的有效手段。醫用植入物β合金晶粒超細化處理后的優勢是:

1)不改變彈性模量的情況下,提高合金的強度,進而提高服役壽命;

2)提高了耐磨性,降低了植入物合金與骨骼及組織接觸產生的磨損;

3)從材料加工成型角度看,超細晶粒的合金具有優良的塑性變形能力,且具有超塑性特性,成型性非常好。

研究中的方法是:采用等徑彎管擠壓法獲得超細晶粒。此外還有通過合金化合特定的熔煉方法獲得納米超細基體和微尺度枝晶β相的雙態組織。

   4、表面處理

   除合金的強度和模量性能外,醫用植入物材料的表面耐磨性對其使用壽命的影響也很大,植入合金耐磨性差將導致其過早的磨損而失效。改善植入物材料耐磨性的方法一般采用表面涂層,傳統的涂層設計主要考慮合金的生物相容性、耐蝕性及表面活性,如Al2O3、TiO2涂層等。近年來有采用離子植入、等離子噴射涂層、表面滲氮、表面滲碳等技術提高合金的表面硬度和耐磨性。特別是一種類金剛石碳(Diamond-like carbon)涂層,改善合金耐磨性效果顯著。

除此外,合金的近表面組織超細化處理,獲得亞微或納米相晶粒,也是提高材料耐磨性、抗疲勞的有效途徑。如采用循環感應加熱淬火處理,利用感應加熱的“集膚效應”可實現合金近表層瞬時感應加熱升溫。


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