本發(fā)明涉及增材制造，尤其涉及一種用于增材制造的鈦合金粉末及增材制造方法與鈦合金件及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、骨科植入器械廣泛應(yīng)用于創(chuàng)傷外科、脊柱外科、關(guān)節(jié)外科等多項適應(yīng)癥種類，是醫(yī)療重要的細分賽道之一。2024年全球骨科醫(yī)療器械市場規(guī)模達到471億美元，市場規(guī)模巨大。人的皮質(zhì)骨彈性模量為10-30gpa，植入體的彈性模量過高會導(dǎo)致應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，使得植入體失效甚至造成肌肉萎縮，為此，開發(fā)低彈性模量的植入體材料的意義重大。亞穩(wěn)態(tài)鈦合金的彈性模量較低、強度高、耐腐蝕性好、生物相容性好，是目前近年來開發(fā)出的新型醫(yī)用鈦合金。但是傳統(tǒng)工藝加工鈦合金較為困難，而采用增材制造技術(shù)制備鈦合金植入體不但可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一次成型，還可以為患者實現(xiàn)個性化定制，是目前廣泛使用的植入體制備技術(shù)。

2、然而增材制造制備醫(yī)用鈦合金存在一些問題。一方面，增材制造過程的冷卻速率和溫度梯度較大，加上亞穩(wěn)態(tài)β鈦合金常用的無毒合金元素(mo、nb、zr、sn等)的生長限制因子較低，使得增材制造制備亞穩(wěn)態(tài)的醫(yī)用鈦合金容易生成沿沉積方向<001>取向的柱狀晶。雖然β-ti的<001>方向的彈性模量最低，但是不可避免的會帶來各向異性；另一方面，由于亞穩(wěn)態(tài)鈦合金的β穩(wěn)定元素含量較低，在增材制造過程中容易產(chǎn)生不穩(wěn)定相，這些不穩(wěn)定相會大幅度增加合金的彈性模量和降低合金的塑性。有學(xué)者提出，采用合金的彈性容許應(yīng)變eas(即合金的屈服強度和彈性模量的比值)值評估合金的力學(xué)相容性，而現(xiàn)有增材制造技術(shù)制備的醫(yī)用鈦合金的eas值普遍為1.1-1.5。

3、植入體服役時不僅需承受復(fù)雜的力學(xué)和化學(xué)環(huán)境的交互作用，展現(xiàn)出低彈性模量、高強度、耐磨損，更要兼具無毒、不致敏和不致癌等生物相容性，才能確保長期安全有效。因此，有必要開發(fā)出一種適用于增材制造的、兼具高強度、低彈性模量、良好塑韌性和優(yōu)良生物相容性的鈦合金。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種用于增材制造的鈦合金粉末及增材制造方法與鈦合金件。

2、第一方面，本發(fā)明提供一種用于增材制造的鈦合金粉末，以元素質(zhì)量計由12％-15％的鈮、4％-8％的鋯、2％-4％的鐵與余量的鈦組成。

3、本發(fā)明提供的鈦合金粉末，通過添加高生長限制因子鐵，能夠有效抑制鈦合金中<001>取向柱狀晶的生長，降低各向異性并獲得近全等軸晶組織，能夠有效提高提升力學(xué)性能的均勻性，此外通過添加鋯能夠有效抑制在增材制造過程中ω相的形成，從而降低彈性模量。

4、可選地，所述鈦合金粉末的粒徑為15μm-100μm。

5、第二方面，本發(fā)明還提供一種使用上述任一可選鈦合金粉末的增材制造方法，包括選區(qū)激光熔化法、電子束熔化法、激光近凈成形法。

6、可選地，包括以下步驟：采用增材制造方法對鈦合金粉末進行逐層熔化沉積制得鈦合金件。因此，本發(fā)明增材制造方法，無需進行織構(gòu)控制和后熱處理即可獲得近全等軸晶組織，顯著降低了生產(chǎn)周期和成本，并在低彈性模量、高強度和良好塑韌性之間實現(xiàn)了優(yōu)異的平衡，極具臨床應(yīng)用潛力。

7、第三方面，本發(fā)明還提供一種使用上述增材制造方法所制得的鈦合金件。

8、可選地，所述鈦合金件中晶粒大小為10μm-40μm。

9、可選地，所述鈦合金件中的晶?？v橫比為1.8-2.1。

10、第四方面，本發(fā)明還提供一種上述鈦合金件在骨科植入器械中的應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種用于增材制造的鈦合金粉末，其特征在于，以元素質(zhì)量計由12％-15％的鈮、4％-8％的鋯、2％-4％的鐵與余量的鈦組成。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金粉末，其特征在于，所述鈦合金粉末的粒徑為15μm-100μm。

3.一種使用如權(quán)利要求1或2所述鈦合金粉末的增材制造方法，其特征在于，所述增材制造方法包括選區(qū)激光熔化法、電子束熔化法、激光近凈成形法。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，包括以下步驟：采用增材制造方法對鈦合金粉末進行逐層熔化沉積制得鈦合金件。

5.一種如權(quán)利要求3或4所述增材制造方法所制得的鈦合金件。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鈦合金件，其特征在于，所述鈦合金件中晶粒大小為10μm-40μm；和/或，所述鈦合金件中的晶?？v橫比為1.8-2.1。

7.一種如權(quán)利要求5或6所述的鈦合金件在骨科植入器械中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種用于增材制造的鈦合金粉末及增材制造方法與鈦合金件及應(yīng)用，涉及增材制造技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供的鈦合金粉末以元素質(zhì)量計由12％?15％的鈮、4％?8％的鋯、2％?4％的鐵與余量的鈦組成。本發(fā)明通過添加高生長限制因子鐵，能夠有效抑制鈦合金中<001>取向柱狀晶的生長，降低各向異性并獲得近全等軸晶組織，能夠有效提高提升力學(xué)性能的均勻性，此外通過添加鋯能夠有效抑制在增材制造過程中ω相的形成，從而有效降低彈性模量。

技術(shù)研發(fā)人員：李玉龍,李越,王留勇,吳昊樾,葉錦呈,劉延通,丁鋒,雷敏
受保護的技術(shù)使用者：南昌大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8