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医用植入β钛合金的处理方法

来源:钛板,钛棒,钛管,钛丝,钛设备,钛合金,钛材 发布时间:2015-8-12 13:11:50
在几类医用植入钛合金中,β型钛合金的研究最晚,国外的前期基础研究较成熟,国内还处于前期试验阶段,这需要更多的科研人员进一步投入关注和研究,使科研及早转化为生产力,造福人类。在国内外使用的医用植入物金属材料主要有:316、CoCr合金、钛及钛合金。与人体骨质弹性模量相比,钛及钛合金最为贴近。目前该类应用最多的是商业纯钛和Ti-6Al-4V为主,而新型的β合金,由于拥有与骨骼最相近的弹性模量,目前备受关注。其工艺设计为:
 
1、钛合金成分
钛合金设计中,α稳定元素(Al,O,N等)和β稳定元素(V,Mo,Nb等)决定了合金的类别归属。α合金仅有α相;近α合金含有少量β稳定元素;α+β合金含有更高的β稳定元素;β合金仅有β相。研究认为:Nb、Zr、Mo、Ta作为医用β钛合金添加元素,添加到一定含量后,通过快冷可获得亚稳定β相,能有效降低合金的弹性模量,但此类合金元素的添加量不能过高,过高会导致脆性ω相析出,导致合金变脆,弹性模量增加。因此合理选择并控制添加量是获得理想低模量的关键。典型的是TNZ系列钛合金(包括Ti-13Nb-13Zr、Ti-13Nb-20Zr等)。
2、热处理
为获得理想的β相组织,β型合金要进行β相区充分固溶处理后快速冷却(如水淬火)。归纳医用β相合金的热处理为:1)大变形量的冷变形+退火处理或大变形量的热加工变形(β相区或α+β两相区);2)热机械加工处理后,在β相区的充分固溶,快冷,尽可能地获得全β组织。
3、晶粒超细化
细化晶粒是金属材料获得优异综合力学性能的有效手段。医用植入物β钛合金晶粒超细化处理后的优势是:1)不改变弹性模量的情况下,提高合金的强度,进而提高服役寿命;2)提高了耐磨性,降低了植入物合金与骨骼及组织接触产生的磨损;3)从材料加工成型角度看,超细晶粒的合金具有优良的塑性变形能力,且具有超塑性特性,成型性非常好。研究中的方法是:采用等径弯管挤压法获得超细晶粒。此外还有通过合金化合特定的熔炼方法获得纳米超细基体和微尺度枝晶β相的双态组织。
4、表面处理
除钛合金的强度和模量性能外,医用植入物材料的表面耐磨性对其使用寿命的影响也很大,植入钛合金耐磨性差将导致其过早的磨损而失效。改善植入物材料耐磨性的方法一般采用表面涂层,传统的涂层设计主要考虑合金的生物相容性、耐蚀性及表面活性,如Al2O3、TiO2涂层等。近年来有采用离子植入、等离子喷射涂层、表面渗氮、表面渗碳等技术提高合金的表面硬度和耐磨性。特别是一种类金刚石碳(Diamond-like carbon)涂层,改善合金耐磨性效果显著。除此外,钛合金的近表面组织超细化处理,获得亚微或纳米相晶粒,也是提高材料耐磨性、抗疲劳的有效途径。如采用循环感应加热淬火处理,利用感应加热的“集肤效应”可实现钛合金近表层瞬时感应加热升温。
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