【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種ti-zr高熵合金，具體涉及一種低模量高延展性的ti-zr高熵合金及其制備方法和應(yīng)用，屬于高強(qiáng)韌合金材料領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
1、隨著生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)材料引起了研究人員的廣泛關(guān)注。目前臨床應(yīng)用的生物醫(yī)學(xué)金屬材料主要有不銹鋼、鈦及鈦合金、鈷基合金等。然而，上述材料仍存在一些缺點(diǎn)，當(dāng)sus316l不銹鋼在體內(nèi)使用時(shí)，由于磨損和腐蝕釋放出鎳離子，引起炎癥或細(xì)胞損傷等不良反應(yīng)。ti-6al-4v合金的強(qiáng)度雖高于cp-ti，具有良好的加工性能，但ti-6al-4v合金材料中所含的al和v元素被認(rèn)為是生物體有害的元素。鈷基合金材料在體內(nèi)長期磨損會造成鈷、鎳等離子溶出，在體內(nèi)引起細(xì)胞或組織壞死。因此這類具有優(yōu)異綜合性能(強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度、磨損、腐蝕等)的生物醫(yī)用材料，受到廣大相關(guān)材料工作者、臨床醫(yī)生、醫(yī)療器械制造企業(yè)等方面的廣泛關(guān)注。
2、相比傳統(tǒng)合金材料，高熵合金自2004年首次提出并研發(fā)至今，因其具有熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、動力學(xué)上的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)、結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)和性能上的雞尾酒效應(yīng)，有望在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用。目前，雖有研究人員分別采用熔煉工藝和等離子電弧增材制造工藝研究發(fā)現(xiàn)ti-zr-nb-ta-mo高熵合金體系具有優(yōu)異的屈服強(qiáng)度，但仍存在彈性模量較高且延展性較低的問題，限制了其作為植入材料應(yīng)用于生物醫(yī)用領(lǐng)域。目前關(guān)于鑄態(tài)ti-zr-nb-ta-mo高熵合金具有良好拉伸性能的報(bào)道極少，研究ti-zr-nb-ta-mo高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)與其成分之間關(guān)系，設(shè)計(jì)出具有優(yōu)異性能的致密ti-z
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本專利技術(shù)的第一個(gè)目的在于提供一種低模量高延展性的ti-zr高熵合金，該高熵合金基于tizr合金與m合金之間的協(xié)同作用，通過控制二者之間的合金摩爾比，調(diào)控高熵合金的力學(xué)性能和化學(xué)性能，一方面保證了合金材料在室溫下優(yōu)秀力學(xué)性能的同時(shí)，提高了合金的高溫穩(wěn)定性，另一方面還有效降低了合金的彈性模量，提高了合金的延展性，從而拓展了合金材料的應(yīng)用場景。
2、本專利技術(shù)的第二個(gè)目的在于提供一種低模量高延展性的ti-zr高熵合金的制備方法，該方法通過熔煉工藝快速得到不同比例的高熵合金試樣，再根據(jù)綜合性能閾值對高熵合金試樣進(jìn)行篩選，從而確定高熵合金中的最佳元素比及最佳工藝參數(shù)，大幅縮短高熵合金的優(yōu)化周期，從而快速、準(zhǔn)確的得到性能優(yōu)異的產(chǎn)品。
3、本專利技術(shù)的第三個(gè)目的在于提供一種低模量高延展性的ti-zr高熵合金的應(yīng)用，作為生物醫(yī)用植入材料。基于本專利技術(shù)所提供的高熵合金優(yōu)異的力學(xué)性能與化學(xué)性能，對于復(fù)雜系統(tǒng)尤其是生物系統(tǒng)，具有良好的穩(wěn)定性和抗排斥性，可作為生物醫(yī)用植入材料使用，經(jīng)測試，本專利技術(shù)所提供的高熵合金在力學(xué)性能基本保持不變的前提下，其延伸率可達(dá)16.5％，磨損率為6.2×10-5mm3/n·m，自腐蝕電流密度為0.102±0.017μa/cm2。
4、為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本專利技術(shù)提供了一種低模量高延展性的ti-zr高熵合金，其特征在于：所述高熵合金的結(jié)構(gòu)通式為(tizr)xmy，其中x的范圍為40～49，y的范圍為0.66～6.66；所述m為含有大于等于3種等元素摩爾比不同金屬元素的合金。
5、作為一項(xiàng)優(yōu)選的方案，所述高熵合金中x與y的比例為8.5～23.5:1。
6、作為一項(xiàng)優(yōu)選的方案，所述m合金為nb-ta-mo合金。
7、本專利技術(shù)以等摩爾比的tizr合金為整體，ti和zr的vec為4，通過m合金中高vec元素對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，可通過調(diào)節(jié)合金的價(jià)電子濃度從而調(diào)節(jié)高熵合金的延展性，而m合金中的nb、ta、mo均為β穩(wěn)定元素，可設(shè)計(jì)低彈性模量β鈦合金，且mo可提供負(fù)混合焓，達(dá)更高的強(qiáng)韌度、匹配度。
8、作為一項(xiàng)優(yōu)選的方案，所述高熵合金的晶體結(jié)構(gòu)為簡單體心立方結(jié)構(gòu)。
9、本專利技術(shù)還提供了一種低模量高延展性的ti-zr高熵合金的制備方法，包括：
10、1)將ti-zr合金與m合金在x取值范圍內(nèi)按梯度配比，經(jīng)熔煉工藝得到一類試樣；
11、2)對一類試樣進(jìn)行力學(xué)性能及化學(xué)性能測試，當(dāng)其綜合性能超過閾值，記錄數(shù)據(jù)，即得。
12、作為一項(xiàng)優(yōu)選的方案，所述熔煉工藝的過程為：將合金原料通過真空電弧熔煉至融化，待合金冷卻后再翻轉(zhuǎn)熔煉，重復(fù)次數(shù)≥10。
13、作為一項(xiàng)優(yōu)選的方案，所述真空電弧熔煉過程為：將合金原料送入樣品室，當(dāng)真空度達(dá)到5x10-3pa后，通入氬氣至樣品室內(nèi)壓力至0.5atm。
14、作為一項(xiàng)優(yōu)選的方案，所述真空電弧熔煉過程中還需要進(jìn)行電磁攪拌，其電流為3～4a。
15、作為一項(xiàng)優(yōu)選的方案，所述真空電弧熔煉過程中電弧保持時(shí)間為100～120s，電流為300～450a。
16、作為一項(xiàng)優(yōu)選的方案，所述綜合性能的閾值為拉伸應(yīng)變＞5％，彈性模量≤100gpa，磨損率≤7.0×10-5mm3/n·m，自腐蝕電流密度＜0.168±0.002μa/cm2。
17、本專利技術(shù)還提供了一種低模量高延展性的ti-zr高熵合金的應(yīng)用，作為生物醫(yī)用植入材料。
18、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本專利技術(shù)技術(shù)方案的有益技術(shù)效果為：
19、1)本專利技術(shù)所提供的高熵合金基于tizr合金與m合金之間的協(xié)同作用，通過控制二者之間的合金摩爾比，調(diào)控高熵合金的力學(xué)性能和化學(xué)性能，一方面保證了合金材料在室溫下優(yōu)秀力學(xué)性能的同時(shí)，提高了合金的高溫穩(wěn)定性，另一方面還有效降低了合金的彈性模量，提高了合金的延展性，從而拓展了合金材料的應(yīng)用場景。
20、2)本專利技術(shù)所提供的制備方法通過熔煉工藝快速得到不同比例的高熵合金試樣，再根據(jù)綜合性能閾值對高熵合金試樣進(jìn)行篩選，從而確定高熵合金中的最佳元素比及最佳工藝參數(shù)，大幅縮短高熵合金的優(yōu)化周期，從而快速、準(zhǔn)確的得到性能優(yōu)異的產(chǎn)品。
21、3)本專利技術(shù)所提供的技術(shù)方案中，基于高熵合金優(yōu)異的力學(xué)性能與化學(xué)性能，對于復(fù)雜系統(tǒng)尤其是生物系統(tǒng)，具有良好的穩(wěn)定性和抗排斥性，可作為生物醫(yī)用植入材料使用，經(jīng)測試，本專利技術(shù)所提供的高熵合金在力學(xué)性能基本保持不變的前提下，其延伸率可達(dá)16.5％，磨損率為6.2×10-5mm3/n·m，自腐蝕電流密度為0.102±0.017μa/cm2。
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1.一種低模量高延展性的Ti-Zr高熵合金，其特征在于：所述高熵合金的結(jié)構(gòu)通式為(TiZr)xMy，其中x的范圍為40～49，y的范圍為0.66～6.66；所述M為含有大于等于3種等元素摩爾比不同金屬元素的合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低模量高延展性的Ti-Zr高熵合金，其特征在于：所述高熵合金中x與y的比例為8.5～23.5:1；所述M合金為Nb-Ta-Mo合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低模量高延展性的Ti-Zr高熵合金，其特征在于：所述高熵合金的晶體結(jié)構(gòu)為簡單體心立方結(jié)構(gòu)。
4.權(quán)利要求1～3任意一項(xiàng)所述的一種低模量高延展性的Ti-Zr高熵合金的制備方法，其特征在于，包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低模量高延展性的Ti-Zr高熵合金的制備方法，其特征在于：所述熔煉工藝的過程為：將合金原料通過真空電弧熔煉至融化，待合金冷卻后再翻轉(zhuǎn)熔煉，重復(fù)次數(shù)≥10。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種低模量高延展性的Ti-Zr高熵合金的制備方法，其特征在于：所述真空電弧熔煉過程為：將合金原料送入樣品室，當(dāng)真空度達(dá)到5x10
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種低模量高延展性的Ti-Zr高熵合金的制備方法，其特征在于：所述真空電弧熔煉過程中還需要進(jìn)行電磁攪拌，其電流為3～4A。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低模量高延展性的Ti-Zr高熵合金的制備方法，其特征在于：所述真空電弧熔煉過程中電弧保持時(shí)間為100～120s，電流為300～450A。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低模量高延展性的Ti-Zr高熵合金的制備方法，其特征在于：所述綜合性能的閾值為拉伸應(yīng)變＞5％，彈性模量≤100GPa，磨損率≤7.0×10-5mm3/N·m，自腐蝕電流密度＜0.168±0.002μA/cm2。
10.權(quán)利要求1～3任意一項(xiàng)所述的一種低模量高延展性的Ti-Zr高熵合金的應(yīng)用，其特征在于：作為生物醫(yī)用植入材料。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種低模量高延展性的ti-zr高熵合金，其特征在于：所述高熵合金的結(jié)構(gòu)通式為(tizr)xmy，其中x的范圍為40～49，y的范圍為0.66～6.66；所述m為含有大于等于3種等元素摩爾比不同金屬元素的合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低模量高延展性的ti-zr高熵合金，其特征在于：所述高熵合金中x與y的比例為8.5～23.5:1；所述m合金為nb-ta-mo合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低模量高延展性的ti-zr高熵合金，其特征在于：所述高熵合金的晶體結(jié)構(gòu)為簡單體心立方結(jié)構(gòu)。
4.權(quán)利要求1～3任意一項(xiàng)所述的一種低模量高延展性的ti-zr高熵合金的制備方法，其特征在于，包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低模量高延展性的ti-zr高熵合金的制備方法，其特征在于：所述熔煉工藝的過程為：將合金原料通過真空電弧熔煉至融化，待合金冷卻后再翻轉(zhuǎn)熔煉，重復(fù)次數(shù)≥10。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種低模量高延展...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：于振濤，喻惠望，郭柏松，
申請(專利權(quán))人：暨南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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