一种牙科用钛合金材料的制作方法
专利名称：一种牙科用钛合金材料的制作方法
技术领域：
本发明属于一种生物医用钛合金材料，特别涉及一种齿科用生物医用钛合金材
料，主要用于临床口腔修复、种植等。 二、研究
背景技术：
据统计，牙周病、龋齿、牙列不齐是目前我国最普遍的三大牙病，这三种牙病的各种后遗症，如牙齿缺损、牙龈肿胀疼痛、拔牙也困扰着人们，有90%的人患有不同程度的牙龈炎和牙周炎。过去由于经济发展水平及口腔卫生观念、意识的制约，国人对早期治疗及预防性治疗的认识及合作程度较发达国家明显落后。近年来，随着人们生活水平提高、患者治疗意识的增强，我国的牙科临床及科研均得到了前所未有的发展，牙科用材料也得到了迅速发展。 牙科用材料主要有金合金、Ni-Cr合金、Co-Cr合金、不锈钢等。金合金的价格和颜色限制了其应用。Ni-Cr合金、Co-Cr合金、不锈钢均含有Ni、 Co、 Cr等有害元素，因此逐渐被淘汰。与这些材料相比，钛及钛合金密度小、比强度高，具有极好的生物相容性和耐腐蚀性。鉴于这些优点，从20世纪80年代起发达国家就开始研究钛在口腔修复中的应用，近年来，牙科用钛合金得到长足发展，如a+P型钛合金Ti6A14V、 Ti6A17Nb和Ti5A12. 5Fe，但这些合金中含细胞毒素元素和较高的的弹性模量，逐渐被淘汰。不含细胞毒素元素、具有较低的弹性模量的钛合金逐渐被人们青睐。如美国的Til3Nbl3Zr、 Til5Mo和Til5Mo3Nb，日本研究的Ti29Nbl3Ta4. 6Zr、 Ti29Nbl3Ta4Mo、 Ti29Nbl3Ta2Sn和Ti29Nbl3Ta6Sn。以及国内如申请号为02144726. 8的专利提供了一种制作义齿的新型口腔用钛合金，申请号为200410020500.8的专利提供了一种齿科用生物医用钛合金，具有较低的弹性模量等。但这些合金成本太高(如Ta元素的加入)，且难以克服耐蚀性和耐磨性差的缺点，另外，Mo、Nb等难熔稀有金属的加入，将会增加冶炼难度，容易使合金成分不均匀，使其在牙科上的普及和推广受到很大的限制。
发明内容
针对现有牙科用钛合金材料成本较高、耐蚀性和耐磨性差等缺陷，本发明合金中添加廉价的、生物相容性较好的P共析元素铜和微量元素(稀土元素镧、铈或锂中的一种)，采用中间合金加入，结合特殊的控制手段和工艺流程，可降低合金体系的熔点与材料成本、提高材料的耐蚀性，同时控制其相结构和耐磨性。 本发明提供的牙科用钛合金成分包括钛、锆、铜和微量元素，Zr的重量百分比为5 15%， Cu的重量百分比为1 5%，微量元素的重量百分比为0. 05 0. 5%， Ti余量。所包括的微量元素根据性能匹配的要求可调节，至少为锂或稀土元素镧、铈中的一种。
本发明提供的牙科用钛合金的制作工艺过程为配料_装料_熔炼_铸造成型。原材料采用海绵钛、海绵锆、纯铜、微量元素，先制备中间合金，然后按一定的比例配成合金材料，再经真空电弧熔炼多次成锭。 本发明提供的牙科用钛合金主要为a相，含少量|3相，具有优良的耐蚀性，与13型钛合金相比，具有更好的耐磨性，适用于牙科修复中。加入P共析元素Cu能稳定一定量的13相至室温，同时能细化合金晶粒，起到细晶强化作用，使得合金保持较高的强度和塑性，提高合金耐磨性，并且，析出的Ti2Cu硬粒子也能有效提高耐磨性。Zr属于中性元素，可降低铸造线收縮率，强化合金力学性能，改善焊接性能，且生物相容性好，与国内外现有牙科用钛合金相比，具有以下明显优点 1、与目前临床广泛上所广泛应用的Ti6A14V合金相比，避免了有毒元素的加入。同时避免了钽、铌等贵金属的加入，控制了合金成本； 2、合金铸造性能良好，铸造表面光滑，熔融状态下其粘度明显小于纯钛；
3、合金压縮强度高达1300MPa至2000MPa ;
4、耐磨性优于现有牙科用钛合金。
四具体实施方式
实施例1 :
1.配料
海绵锆50克
铜 10克
锂 0. 5克
海绵钛余量 _ 总重1000克
2.熔炼 首先将海绵钛、合金元素及中间合金放入真空非自耗电极水冷铜坩埚电弧炉中。将炉膛抽真空至10—3pa，然后输入高纯惰性气体进行一次或数次的反复冲洗。通电熔炼时，钨极头阴极和水冷铜坩埚阳极上的引弧端头之间高压放电产生电弧，释放出巨大的热量，使金属在短时间内熔化，将熔化过的铸锭翻转五次进行重熔来保证其成分的均匀性，熔炼后直接铸造成型。 3.本实施例制备的钛合金主要技术指标 该合金硬度HV = 248 压縮强度1360MPa密度4. 68克/立方厘米。 实施例2 : 1.配料 海绵锆120克 铜 35克 镧 4克 海绵钛余量 _ 总重1000克 2.熔炼方法同实施例l。 3.本实施例制备的钛合金主要技术指标 该合金硬度HV = 308 压縮强度1920MPa 密度4. 93克/立方厘米。
4
实施例3 : 1.配料 海绵锆100克 铜 40克 铈 3克 海绵钛余量 _ 总重1000克 2.熔炼方法同实施例l。 3.本实施例制备的钛合金主要技术指标 该合金硬度HV = 322 压縮强度1987MPa 密度4. 89克/立方厘米。 实施例4 : 1.配料 海绵锆70克 铜 15克 锂 l克 海绵钛余量 _ 总重1000克 2.熔炼方法同实施例l。 3.本实施例制备的钛合金主要技术指标 该合金硬度HV = 260 压缩强度1440MPa 密度4. 71克/立方厘米。 实施例5 : 1.配茅斗 海绵锆50克 铜 20克 铈 2克 海绵钛余量 _ 总重1000克 2.熔炼方法同实施例l。 3.本实施例制备的钛合金主要技术指标 该合金硬度HV = 273 压縮强度1580MPa 密度4. 70克/立方厘米。 实施例6 : 1.配料 海绵锆150克 铜 30克 铈 4克 海绵钛余量
_ 总重1000克 2.熔炼方法同实施例l。 3.本实施例制备的钛合金主要技术指标 该合金硬度HV = 295 压縮强度1855MPa 密度4. 97克/立方厘米。 实施例7 : 1.配料 海绵锆100克 铜 20克 镧 5克 海绵钛余量 _ 总重1000克 2.熔炼方法同实施例l。 3.本实施例制备的钛合金主要技术指标 该合金硬度HV = 282 压縮强度1630MPa 密度4. 83克/立方厘米。
权利要求
一种牙科用Ti-Zr-Cu-M钛合金，其特征在于合金成分包括钛、锆、铜和微量元素，Zr的重量百分比为5～15％，Cu的重量百分比为1～5％，微量元素M的重量百分比为0.05～0.5％，Ti余量；所包括的微量元素M根据性能匹配的要求可调节，至少为锂或稀土元素镧、铈中的一种；其相结构为主相α和少量的β相。
全文摘要
本发明公开了一种牙科用钛合金材料，合金成分包括钛、锆、铜和微量元素，Zr的重量百分比为5～15％，Cu的重量百分比为1～5％，微量元素M的重量百分比为0.05～0.5％，Ti余量。所包括的微量元素M根据性能匹配的要求可调节，至少为锂或稀土元素镧、铈中的一种；其相结构为主相α和少量的β相。材料的性能指标如下维氏硬度为260-320，抗压强度为1300-2000MPa。
文档编号A61K6/04GK101705390SQ200910216430
公开日2010年5月12日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者冯作明, 朱达川, 涂铭旌 申请人:四川大学
技术领域：
本发明属于一种生物医用钛合金材料，特别涉及一种齿科用生物医用钛合金材
料，主要用于临床口腔修复、种植等。 二、研究
背景技术：
据统计，牙周病、龋齿、牙列不齐是目前我国最普遍的三大牙病，这三种牙病的各种后遗症，如牙齿缺损、牙龈肿胀疼痛、拔牙也困扰着人们，有90%的人患有不同程度的牙龈炎和牙周炎。过去由于经济发展水平及口腔卫生观念、意识的制约，国人对早期治疗及预防性治疗的认识及合作程度较发达国家明显落后。近年来，随着人们生活水平提高、患者治疗意识的增强，我国的牙科临床及科研均得到了前所未有的发展，牙科用材料也得到了迅速发展。 牙科用材料主要有金合金、Ni-Cr合金、Co-Cr合金、不锈钢等。金合金的价格和颜色限制了其应用。Ni-Cr合金、Co-Cr合金、不锈钢均含有Ni、 Co、 Cr等有害元素，因此逐渐被淘汰。与这些材料相比，钛及钛合金密度小、比强度高，具有极好的生物相容性和耐腐蚀性。鉴于这些优点，从20世纪80年代起发达国家就开始研究钛在口腔修复中的应用，近年来，牙科用钛合金得到长足发展，如a+P型钛合金Ti6A14V、 Ti6A17Nb和Ti5A12. 5Fe，但这些合金中含细胞毒素元素和较高的的弹性模量，逐渐被淘汰。不含细胞毒素元素、具有较低的弹性模量的钛合金逐渐被人们青睐。如美国的Til3Nbl3Zr、 Til5Mo和Til5Mo3Nb，日本研究的Ti29Nbl3Ta4. 6Zr、 Ti29Nbl3Ta4Mo、 Ti29Nbl3Ta2Sn和Ti29Nbl3Ta6Sn。以及国内如申请号为02144726. 8的专利提供了一种制作义齿的新型口腔用钛合金，申请号为200410020500.8的专利提供了一种齿科用生物医用钛合金，具有较低的弹性模量等。但这些合金成本太高(如Ta元素的加入)，且难以克服耐蚀性和耐磨性差的缺点，另外，Mo、Nb等难熔稀有金属的加入，将会增加冶炼难度，容易使合金成分不均匀，使其在牙科上的普及和推广受到很大的限制。
发明内容
针对现有牙科用钛合金材料成本较高、耐蚀性和耐磨性差等缺陷，本发明合金中添加廉价的、生物相容性较好的P共析元素铜和微量元素(稀土元素镧、铈或锂中的一种)，采用中间合金加入，结合特殊的控制手段和工艺流程，可降低合金体系的熔点与材料成本、提高材料的耐蚀性，同时控制其相结构和耐磨性。 本发明提供的牙科用钛合金成分包括钛、锆、铜和微量元素，Zr的重量百分比为5 15%， Cu的重量百分比为1 5%，微量元素的重量百分比为0. 05 0. 5%， Ti余量。所包括的微量元素根据性能匹配的要求可调节，至少为锂或稀土元素镧、铈中的一种。
本发明提供的牙科用钛合金的制作工艺过程为配料_装料_熔炼_铸造成型。原材料采用海绵钛、海绵锆、纯铜、微量元素，先制备中间合金，然后按一定的比例配成合金材料，再经真空电弧熔炼多次成锭。 本发明提供的牙科用钛合金主要为a相，含少量|3相，具有优良的耐蚀性，与13型钛合金相比，具有更好的耐磨性，适用于牙科修复中。加入P共析元素Cu能稳定一定量的13相至室温，同时能细化合金晶粒，起到细晶强化作用，使得合金保持较高的强度和塑性，提高合金耐磨性，并且，析出的Ti2Cu硬粒子也能有效提高耐磨性。Zr属于中性元素，可降低铸造线收縮率，强化合金力学性能，改善焊接性能，且生物相容性好，与国内外现有牙科用钛合金相比，具有以下明显优点 1、与目前临床广泛上所广泛应用的Ti6A14V合金相比，避免了有毒元素的加入。同时避免了钽、铌等贵金属的加入，控制了合金成本； 2、合金铸造性能良好，铸造表面光滑，熔融状态下其粘度明显小于纯钛；
3、合金压縮强度高达1300MPa至2000MPa ;
4、耐磨性优于现有牙科用钛合金。
四具体实施方式
实施例1 :
1.配料
海绵锆50克
铜 10克
锂 0. 5克
海绵钛余量 _ 总重1000克
2.熔炼 首先将海绵钛、合金元素及中间合金放入真空非自耗电极水冷铜坩埚电弧炉中。将炉膛抽真空至10—3pa，然后输入高纯惰性气体进行一次或数次的反复冲洗。通电熔炼时，钨极头阴极和水冷铜坩埚阳极上的引弧端头之间高压放电产生电弧，释放出巨大的热量，使金属在短时间内熔化，将熔化过的铸锭翻转五次进行重熔来保证其成分的均匀性，熔炼后直接铸造成型。 3.本实施例制备的钛合金主要技术指标 该合金硬度HV = 248 压縮强度1360MPa密度4. 68克/立方厘米。 实施例2 : 1.配料 海绵锆120克 铜 35克 镧 4克 海绵钛余量 _ 总重1000克 2.熔炼方法同实施例l。 3.本实施例制备的钛合金主要技术指标 该合金硬度HV = 308 压縮强度1920MPa 密度4. 93克/立方厘米。
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实施例3 : 1.配料 海绵锆100克 铜 40克 铈 3克 海绵钛余量 _ 总重1000克 2.熔炼方法同实施例l。 3.本实施例制备的钛合金主要技术指标 该合金硬度HV = 322 压縮强度1987MPa 密度4. 89克/立方厘米。 实施例4 : 1.配料 海绵锆70克 铜 15克 锂 l克 海绵钛余量 _ 总重1000克 2.熔炼方法同实施例l。 3.本实施例制备的钛合金主要技术指标 该合金硬度HV = 260 压缩强度1440MPa 密度4. 71克/立方厘米。 实施例5 : 1.配茅斗 海绵锆50克 铜 20克 铈 2克 海绵钛余量 _ 总重1000克 2.熔炼方法同实施例l。 3.本实施例制备的钛合金主要技术指标 该合金硬度HV = 273 压縮强度1580MPa 密度4. 70克/立方厘米。 实施例6 : 1.配料 海绵锆150克 铜 30克 铈 4克 海绵钛余量
_ 总重1000克 2.熔炼方法同实施例l。 3.本实施例制备的钛合金主要技术指标 该合金硬度HV = 295 压縮强度1855MPa 密度4. 97克/立方厘米。 实施例7 : 1.配料 海绵锆100克 铜 20克 镧 5克 海绵钛余量 _ 总重1000克 2.熔炼方法同实施例l。 3.本实施例制备的钛合金主要技术指标 该合金硬度HV = 282 压縮强度1630MPa 密度4. 83克/立方厘米。
权利要求
一种牙科用Ti-Zr-Cu-M钛合金，其特征在于合金成分包括钛、锆、铜和微量元素，Zr的重量百分比为5～15％，Cu的重量百分比为1～5％，微量元素M的重量百分比为0.05～0.5％，Ti余量；所包括的微量元素M根据性能匹配的要求可调节，至少为锂或稀土元素镧、铈中的一种；其相结构为主相α和少量的β相。
全文摘要
本发明公开了一种牙科用钛合金材料，合金成分包括钛、锆、铜和微量元素，Zr的重量百分比为5～15％，Cu的重量百分比为1～5％，微量元素M的重量百分比为0.05～0.5％，Ti余量。所包括的微量元素M根据性能匹配的要求可调节，至少为锂或稀土元素镧、铈中的一种；其相结构为主相α和少量的β相。材料的性能指标如下维氏硬度为260-320，抗压强度为1300-2000MPa。
文档编号A61K6/04GK101705390SQ200910216430
公开日2010年5月12日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者冯作明, 朱达川, 涂铭旌 申请人:四川大学
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