外科植入鋯及鋯合金制備方法

供稿|周睿之，李享，郭嘉昕，郭永喜

內(nèi)容導(dǎo)讀

本文介紹了一種外科植入鋯及鋯合金的制備方法，制備過程采用國際先進(jìn)設(shè)備和先進(jìn)技術(shù)，這種方法制備得到的植入鋯及鋯合金材料具有良好的抗蠕變性能、拉伸性能、且耐高溫、無毒性、耐輻射、慣性模量小，接近自然骨，在人工關(guān)節(jié)部位具有良好的實用價值。

目前常用的植入人體人工骨關(guān)節(jié)和其它的人工關(guān)節(jié)通常采用以下幾種植入物材料：外科植入物不銹鋼、外科植入物鈦及鈦合金和外科植入物鈷、鉻、鉬合金等。不銹鋼(GB4243)00Cr18Ni14Mo3N和00Cr18Ni16Mo3N含有的有毒元素Cr、Ni、Mn等極易導(dǎo)致過敏反應(yīng)和毒性反應(yīng)，在實際的應(yīng)用中具有一定的局限性；鑄造鈷、鉻、鉬合金(GB17100和ISD5832)制得的髂關(guān)節(jié)及其他人工關(guān)節(jié)同樣含有毒元素Cr、Ni、Mn，這些有毒元素也會引起骨細(xì)胞毒性反應(yīng)從而對人體產(chǎn)生毒副作用；同樣，鈦及鈦合金(GB/TI3810)也含有毒元素Al和V等，會引發(fā)不同程度細(xì)胞反應(yīng)。因此，開發(fā)出一種合理的、可替代上述功能的外科植入合金制品具有重要的意義。本文介紹了一種外科植入鋯及鋯合金材料的制備方法，解決了目前存在的過敏反應(yīng)、毒性反應(yīng)等問題。

鋯及鋯合金的制備

向原材料中按照一定的比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù))添加合金元素(其中Nb：3%～8%、Mo：1%～9%，其余為原子能級的海綿鋯)，同時保證雜質(zhì)元素氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.14%，氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.0125%，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.005%。

將各合金元素材料用千噸油壓機(jī)制成電極塊，用真空焊接機(jī)焊接成自耗電極，然后放入真空自耗電極電弧爐熔煉成鑄錠，熔煉真空度5×10-3～5×10-2Pa、熔煉電壓30～42 V，也可通過高石墨坩堝真空感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉三次后扒皮；之后將熔煉扒皮后的鋯合金錠開坯，通過電爐加熱，并以玻璃涂層保護(hù)加熱，加熱溫度為950～980 ℃，終鍛溫度應(yīng)控制不低于700 ℃旋鍛進(jìn)行變形，得到的棒材鍛件加熱到700～750 ℃后隨爐冷卻，然后加熱至1000 ℃并保溫0.5～1 h后快速冷卻，再加熱至300～500 ℃后出爐，室溫冷卻，最后對棒材進(jìn)行矯直、磨光，得到磨光棒。利用無芯磨床按照所需尺寸進(jìn)行加工，即得到外科植入鋯及鋯合金材料，工藝流程如圖1所示。

圖1 計算機(jī)控制技術(shù)制備外科植入鋯及鋯合金材料工藝流程

實驗結(jié)果

合金元素材料制備中，Nb、Mo等元素都有較好的強(qiáng)化作用。其中，Nb元素對鋯合金基體具有一定的強(qiáng)化作用，Nb對鋯的抗蠕變的影響較為復(fù)雜，尤其是Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～8%之間的合金在高溫下具有很高的抗蠕變性能，鋯合金基體(Nb：3%～8%)和常規(guī)Zr-4合金的抗蠕變性能實驗對比數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表5對比腹地貨源調(diào)整前后各主干航線貨物選擇轉(zhuǎn)運港的總中轉(zhuǎn)時間差。由表5可知，受到腹地貨源條件改善的影響，港口群內(nèi)開通主干航線的港口數(shù)量有所增加，如溫州港，因該港開發(fā)利用的干、支泊位資源數(shù)量相對較少，各主干航線貨物選擇轉(zhuǎn)運港的總中轉(zhuǎn)時間差增長明顯。事實上，與上海港、寧波舟山港相比，港口群內(nèi)其他港口可利用泊位資源相對充足。

表1 鋯合金基體(Nb：3%～8%)在不同應(yīng)力下的抗蠕變性能

表2 常規(guī)Zr-4合金在不同應(yīng)力下的抗蠕變性能

從表中可以看出，與常規(guī)Zr-4合金在相同規(guī)格和相同實驗條件下的蠕變實驗結(jié)果相比，鋯合金基體(Nb：3%～8%)的蠕變速度明顯低于常規(guī)Zr-4合金。

同時Mo元素的加入會使鋯合金基體具有一定的拉伸性能，鋯合金基體(Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)：1%～9%)和常規(guī)的Zr-4合金的拉伸性能實驗對比見表3。

實驗表明，與常規(guī)Zr-4合金在相同規(guī)格和相同試驗條件下的拉伸性能實驗結(jié)果相比，鋯合金基體(Mo：1%～9%)的強(qiáng)度極限值、條件屈服極限值遠(yuǎn)高于常規(guī)Zr-4合金。綜上所述，合金元素Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%～8%，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%～9%之間制備的鋯合金材料具有良好的抗蠕變性能和拉伸性能，是外科植入材料的首選。

合金種類 實驗溫度/℃ 強(qiáng)度極限σb/MPa 條件屈服極限σ0.2/MPa 伸長率δ/%鋯合金基體(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

結(jié)束語

本文介紹了一種外科植入鋯及鋯合金材料的制備方法，這種方法制備得到的外科植入鋯及鋯合金材料具有優(yōu)良的抗蠕變性能、拉伸性能、耐高溫、無毒性、耐輻射性、彈性模量小，接近自然骨，在人工關(guān)節(jié)部位中具有較高的實用價值。

攝影 陳躍先