外科植入锆及锆合金制备方法

2021-01-06供稿周睿之李享郭嘉昕郭永喜

金属世界 2020年6期

供稿|周睿之，李享，郭嘉昕，郭永喜

内容导读

本文介绍了一种外科植入锆及锆合金的制备方法，制备过程采用国际先进设备和先进技术，这种方法制备得到的植入锆及锆合金材料具有良好的抗蠕变性能、拉伸性能、且耐高温、无毒性、耐辐射、惯性模量小，接近自然骨，在人工关节部位具有良好的实用价值。

目前常用的植入人体人工骨关节和其它的人工关节通常采用以下几种植入物材料：外科植入物不锈钢、外科植入物钛及钛合金和外科植入物钴、铬、钼合金等。不锈钢(GB4243)00Cr18Ni14Mo3N和00Cr18Ni16Mo3N含有的有毒元素Cr、Ni、Mn等极易导致过敏反应和毒性反应，在实际的应用中具有一定的局限性；铸造钴、铬、钼合金(GB17100和ISD5832)制得的髂关节及其他人工关节同样含有毒元素Cr、Ni、Mn，这些有毒元素也会引起骨细胞毒性反应从而对人体产生毒副作用；同样，钛及钛合金(GB/TI3810)也含有毒元素Al和V等，会引发不同程度细胞反应。因此，开发出一种合理的、可替代上述功能的外科植入合金制品具有重要的意义。本文介绍了一种外科植入锆及锆合金材料的制备方法，解决了目前存在的过敏反应、毒性反应等问题。

锆及锆合金的制备

向原材料中按照一定的比例(质量分数)添加合金元素(其中Nb：3%～8%、Mo：1%～9%，其余为原子能级的海绵锆)，同时保证杂质元素氧质量分数≤0.14%，氢质量分数≤0.0125%，氮质量分数≤0.005%。

将各合金元素材料用千吨油压机制成电极块，用真空焊接机焊接成自耗电极，然后放入真空自耗电极电弧炉熔炼成铸锭，熔炼真空度5×10-3～5×10-2Pa、熔炼电压30～42 V，也可通过高石墨坩埚真空感应炉进行熔炼三次后扒皮；之后将熔炼扒皮后的锆合金锭开坯，通过电炉加热，并以玻璃涂层保护加热，加热温度为950～980 ℃，终锻温度应控制不低于700 ℃旋锻进行变形，得到的棒材锻件加热到700～750 ℃后随炉冷却，然后加热至1000 ℃并保温0.5～1 h后快速冷却，再加热至300～500 ℃后出炉，室温冷却，最后对棒材进行矫直、磨光，得到磨光棒。利用无芯磨床按照所需尺寸进行加工，即得到外科植入锆及锆合金材料，工艺流程如图1所示。

图1 计算机控制技术制备外科植入锆及锆合金材料工艺流程

实验结果

合金元素材料制备中，Nb、Mo等元素都有较好的强化作用。其中，Nb元素对锆合金基体具有一定的强化作用，Nb对锆的抗蠕变的影响较为复杂，尤其是Nb质量分数为3%～8%之间的合金在高温下具有很高的抗蠕变性能，锆合金基体(Nb：3%～8%)和常规Zr-4合金的抗蠕变性能实验对比数据如表1和表2所示。

表5对比腹地货源调整前后各主干航线货物选择转运港的总中转时间差。由表5可知，受到腹地货源条件改善的影响，港口群内开通主干航线的港口数量有所增加，如温州港，因该港开发利用的干、支泊位资源数量相对较少，各主干航线货物选择转运港的总中转时间差增长明显。事实上，与上海港、宁波舟山港相比，港口群内其他港口可利用泊位资源相对充足。

表1 锆合金基体(Nb：3%～8%)在不同应力下的抗蠕变性能

表2 常规Zr-4合金在不同应力下的抗蠕变性能

从表中可以看出，与常规Zr-4合金在相同规格和相同实验条件下的蠕变实验结果相比，锆合金基体(Nb：3%～8%)的蠕变速度明显低于常规Zr-4合金。

同时Mo元素的加入会使锆合金基体具有一定的拉伸性能，锆合金基体(Mo质量分数：1%～9%)和常规的Zr-4合金的拉伸性能实验对比见表3。

实验表明，与常规Zr-4合金在相同规格和相同试验条件下的拉伸性能实验结果相比，锆合金基体(Mo：1%～9%)的强度极限值、条件屈服极限值远高于常规Zr-4合金。综上所述，合金元素Nb的质量分数在3%～8%，Mo的质量分数在1%～9%之间制备的锆合金材料具有良好的抗蠕变性能和拉伸性能，是外科植入材料的首选。

合金种类实验温度/℃ 强度极限σb/MPa 条件屈服极限σ0.2/MPa 伸长率δ/%锆合金基体(Mo：1%～9%) 25 520～530 335～375 20～25 300 275～303 145～165 25～30 Zr-4合金 25 485～495 286～306 25～30 300 228～248 120～145 25～35