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

內容導讀

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設備和先進技術，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，在人工關節部位具有良好的實用價值。

目前常用的植入人體人工骨關節和其它的人工關節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等極易導致過敏反應和毒性反應，在實際的應用中具有一定的局限性；鑄造鈷、鉻、鉬合金(GB17100和ISD5832)制得的髂關節及其他人工關節同樣含有毒元素Cr、Ni、Mn，這些有毒元素也會引起骨細胞毒性反應從而對人體產生毒副作用；同樣，鈦及鈦合金(GB/TI3810)也含有毒元素Al和V等，會引發不同程度細胞反應。因此，開發出一種合理的、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、毒性反應等問題。

鋯及鋯合金的制備

向原材料中按照一定的比例(質量分數)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)，同時保證雜質元素氧質量分數≤0.14%，氫質量分數≤0.0125%，氮質量分數≤0.005%。

將各合金元素材料用千噸油壓機制成電極塊，用真空焊接機焊接成自耗電極，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爐進行熔煉三次后扒皮；之后將熔煉扒皮后的鋯合金錠開坯，通過電爐加熱，并以玻璃涂層保護加熱，加熱溫度為950～980 ℃，終鍛溫度應控制不低于700 ℃旋鍛進行變形，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，最后對棒材進行矯直、磨光，得到磨光棒。利用無芯磨床按照所需尺寸進行加工，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 計算機控制技術制備外科植入鋯及鋯合金材料工藝流程

實驗結果

合金元素材料制備中，Nb、Mo等元素都有較好的強化作用。其中，Nb元素對鋯合金基體具有一定的強化作用，Nb對鋯的抗蠕變的影響較為復雜，尤其是Nb質量分數為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Zr-4合金的抗蠕變性能實驗對比數據如表1和表2所示。

表5對比腹地貨源調整前后各主干航線貨物選擇轉運港的總中轉時間差。由表5可知，受到腹地貨源條件改善的影響，港口群內開通主干航線的港口數量有所增加，如溫州港，因該港開發利用的干、支泊位資源數量相對較少，各主干航線貨物選擇轉運港的總中轉時間差增長明顯。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%)在不同應力下的抗蠕變性能

表2 常規Zr-4合金在不同應力下的抗蠕變性能

從表中可以看出，與常規Zr-4合金在相同規格和相同實驗條件下的蠕變實驗結果相比，鋯合金基體(Nb：3%～8%)的蠕變速度明顯低于常規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質量分數：1%～9%)和常規的Zr-4合金的拉伸性能實驗對比見表3。

實驗表明，與常規Zr-4合金在相同規格和相同試驗條件下的拉伸性能實驗結果相比，鋯合金基體(Mo：1%～9%)的強度極限值、條件屈服極限值遠高于常規Zr-4合金。綜上所述，合金元素Nb的質量分數在3%～8%，Mo的質量分數在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，在人工關節部位中具有較高的實用價值。

攝影 陳躍先