稀有金属 2001,(05),395-397 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2001.05.019
外科植入物用钛合金Ti-6Al-7Nb的研究
许国栋 魏寿庸 李渭清 白晓环 陈占乾
北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088,宝鸡有色金属加工厂!宝鸡721014,宝鸡有色金属加工厂!宝鸡721014,宝鸡有色金属加工厂!宝鸡721014,宝鸡有色金属加工厂!宝鸡721014
摘 要：
在工业生产条件下制备了外科植入物用Ti 6Al 7Nb钛合金 , 并对其化学组成、机械性能和微观组织进行了研究。Ti 6Al 7Nb合金的成分和性能完全达到国际标准ISO5 832 11和美国ASTMF12 95标准要求 , 其组织为大量α相 +少量 β转 相
关键词：
外科植入物 ;钛合金 ;Ti6Al7Nb ;
中图分类号： TG146.23
收稿日期： 2000-11-27
Study on Surgical Implant Materials of Ti-6Al-7Nb Titanium Alloy
Abstract：
Surgical implant material made of Ti 6Al 7Nb alloy was investigated under industrial conditions. The results show that the alloy's chemical composition and the mechanical properties reach the ISO 5832 11 and the American ASTMF1295 standards, and the phases of the alloy are mainly α phase and some β trans phase.
Keyword：
Surgical implant; Titanium alloy; Ti 6Al 7Nb;
Received： 2000-11-27
Ti-6Al-7Nb α-β 合金由瑞士 Sulzer 医学技术公司开发, 工业生产与英国 IMI 钛公司共同进行。1985年该材料由 Sulzer 公司开展临床应用, 10多年来应用量已超过200t。90年代, 美国和日本也生产 TiAlNb 棒材。瑞士 SN-056512 标准是第一个 Ti-6Al-7Nb 的标准, 随后 1987年在美国由食品药物管理局 批准了 ASTMF1295 标准, 国际标准化委员会 TC150 也于 1994年颁布了 ISO5832-11 标准
[1 ]
。
Ti-6Al-7Nb 合金用无毒元素铌替代有毒的钒元素, 在机械性能等方面与 Ti-6Al-4V 合金相当, 国内医务界也希望在生物用材上与国际接轨, 开展该合金的研制。国家医药管理局于1994年提出此课题, 北京有色金属研究总院与宝鸡有色金属加工厂共同承担, 联合河北医科大学进行动物埋藏试验, 与天津医疗器械公司骨科医疗器械二厂合作生产矩形骨柄, 本文介绍该合金成分、组织与性能之间的关系。
1 实验方法
选用一级海绵钛、纯铝、钛铌中间合金为原料, 按合金名义成分配料、压制电极, 经三次真空自耗电弧熔炼工业铸锭 200 kg。合金经热锻、精锻、热轧成直径为 60, 30, 16 mm 棒材, 并在电炉中进行热处理。
采用电子拉伸机测试棒材的室温拉伸性能, 并进行冲击韧性和断裂韧性的测试。样品的组织分析分别在 NEOPHOT-2 光学显微镜、TEM 和 APD-10 全自动X射线衍射仪上进行。
2 结果与讨论
2.1 化学成分
合金工业化铸锭的化学成分列于表1
[2 ]
。
表1 铸锭的化学成分w/% Table 1 Chemical composition of ingot
分析单位
Al
Nb
Fe
C
N
H
O
Ta
Ti
有色院 (棒材)
6.05
6.9
0.069
0.03
0.0062
0.0014
0.1
Bal.
902厂铸锭
头
6.0
6.9
0.04
0.01
0.001
0.1
Bal.
ISO5832-11
5.5~6.5
6.5~7.5
≤0.25
≤0.08
≤0.05
≤0.009
≤0.20
≤0.50
Bal.
从表中分析结果看出, 铸锭的主成分在国际标准的中限, 杂质含量尤其氢氧含量较低, 成分完全符合标准要求。
2.2 合金的物理性能及相变点
表2是合金的物理性能及相变点数据。
表2 合金的物理性能及相变点Table 2 Physical properties and transus temperature
性能
密度3 kg·m-3
弹性模量
相变点
200 kg 锭值
4.52
110~115
990~1000
美国钛合金手册数据
4.52
105
1010±15
2.3 机械性能
合金棒材退火后的拉伸性能列于表3, 从表中数据可见合金的性能全部符合国际标准, 与 Ti-6Al-4V 合金性能相当, 抗拉强度大于 900 MPa, 屈服强度大于 800 MPa, 延伸率大于10%, 断面收缩率大于 25%。Ti-6Al-7Nb 为棒材合金, 美国钛合金材料性能手册推荐热处理制度为 700℃/ 1 h, 空冷。
表3 合金的室温机械性能Table 3 Mechanical properties of alloys
材料规格
热处理
σ b σ 0.2 δ5
ψ
Φ 16mm 轧棒700℃/1h, AC
935
845
18
45
Φ 16mm 锻棒700℃/1h, AC
985
875
13
40
Φ 12mm 锻棒700℃/1h, AC
970
815
13
36
Φ 20mm 锻棒700℃/1h, AC
955
890
15
49
Φ 20mm 锻板700℃/1h, AC
960
900
10
41
ISO5832-11
退火
≥900
≥800
≥10
≥25
注:AC—空冷
2.4 合金的冲击韧性及断裂韧性
合金的冲击及断裂韧性列于表4, 从表中数据可见, Ti-6Al-7Nb 合金的冲击韧性及断裂韧性都较高。
表4 合金的冲击韧性及断裂韧性Table 4 Impact toughness and fracture toughness
热处理
冲击韧性a k /J·cm-2
断裂韧性K IC /MPa·m1/2
700℃/1 h, AC
62
78
2.5 显微组织
Ti-6Al-7Nb 合金棒材经 700℃/1 h, AC 退火后的金相组织如图1所示, 为等轴 α+β转 组织。
图1 Ti-6Al-7Nb 合金的金相组织 ×200 Fig.1 Microstructure of Ti-6Al-7Nb alloy
2.6 X射线衍射分析
用 APD-10 衍射仪对合金棒材样品进行X射线衍射分析, 其结果见图2, 从图中可看出衍射曲线中, 存在三条衍射强度较高的 α峰和一个β峰, 衍射图说明该合金的组织为大量α相+少量β相。
图2 合金的X射线衍射图Fig.2 X-ray diffraction pattern of alloy
3 结论
1.Ti-6Al-7Nb 合金的化学成分和机械性能完全符合国际标准
ISO5832-11 的要求。
2.合金组织均为大量α相+少量β转相 (界面上) , 符合 ETTC2标准。
参考文献
[1] SemlitschM , WeberH , StegerR .In:Proc.EighthInt.Conf.onTitanium, Birmingham, UK .1995, 1742
[2] 王桂生, 许国栋稀有金属, 1998, 22 (2) :90
