本技术涉及激光增材制造技术,介绍了一种高效能低模量亚稳β钛合金及其制备技术与应用。该钛合金由特定质量分数的Mo和Zr组成,具有优异的力学性能。
背景技术
基于增材制造个性化和精准定制化优势,金属植入物医疗应用得到了快速发展。国家药监局和卫健委联合发布的《定制式医疗器械监督管理规定》明确把增材制造医疗器械列入临床诊疗正式手段。Ti6Al4V合金具有耐蚀性好,高比强度等优点成为增材制造承力骨植入物广泛应用的金属材料,然而其弹性模量(约110 GPa)明显高于人体骨模量(最高仅30 GPa),植入人体后会承担主要应力形成“应力屏蔽”效应,使其临近骨质被吸收而导致植入物松动失效。此外,Ti6Al4V所含Al、V元素在人体环境有溶出风险,对神经系统等造成毒害:Al元素积蓄可导致阿尔兹海默症等疾病,V元素积蓄可诱发免疫毒性。因此,亟需开发低模兼具高强度的生物钛合金以保障承力骨植入物长期安全服役。
近年来,亚稳β生物钛合金因生物无毒且模量能与人体骨较好匹配成为新一代金属植入物优选材料。研究指出,植入物强度是决定其疲劳寿命的关键,在体内长期复杂应力作用下植入物因强度不足易发生断裂,研制低模、高强度亚稳β生物钛合金成为目前承力骨植入物材料研究的新突破点。文献“Mitsuo Niinomi,Fatigue performance and cyto-toxicity of low rigidity titanium alloy, Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr,Biomaterials,2003,24(16):2673-2683.”报道了Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金的弹性模量为65GPa,但屈服强度只有600MPa,抗拉强度仅有650MPa,远低于Ti6Al4V合金的强度。公告号为CN 200410092858.1的专利“一种超弹性低模量钛合金及制备和加工方法”,通过添加Nb等金属,稳定β相,降低弹性模量,合金通过复杂的锻轧等工艺提升强度,但并不适用于骨骼植入物的定制化特征和复杂结构的近净成形。目前大多合金添加Nb、Ta等价格较为昂贵的金属,且在合金设计阶段多采用试错法,多个成分制样进行实验测试。而通过激光增材制造技术可以实现梯度合金制备,同时原位调控β基体,可以实现亚稳β生物钛合金模量、强度的协同调控,筛选出适合增材制造的低模高强钛合金,同时可以实现骨骼植入物的个性化定制和复杂结构的近净成形,为金属植入物的功能提升和结构一体化提供重要支撑。
实现思路