钛合金应用

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1. 简介

钛是周期表中第ⅣB类元素，外观似钢，熔点达1672℃，属难熔金属。钛在地壳中含量较丰富，远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属。我国钛的资源极为丰富，仅四川攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中，伴生钛金属储量约达4.2亿吨，接近国外探明钛储量的总和。

纯钛机械性能强，可塑性好，易于加工，如有杂质，特别是O、N、C等元素存在，会提高钛的强度和硬度，但会降低其塑性，增加脆性。

钛是容易钝化的金属，且在含氧环境中，其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合。因此，钛对空气、水和若干腐蚀介质都是稳定的。钛和钛合金有优异的耐蚀性，只能被氢氟酸和中等浓度的强碱溶液所侵蚀。特别是钛对海水很稳定，将钛或钛合金放入海水中数年，取出后，仍光亮如初，远优于不锈钢。

钛的另一重要特性是密度小。其强度是不锈钢的3.5倍，铝合金的1.3倍，是目前所有工业金属材料中最高的。

液态的钛几乎能溶解所有的金属，形成固溶体或金属化合物等各种合金。合金元素如A1、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入，可改善钛的性能，以适应不同部门的需要。例如，Ti-A1-Sn合金有很高的热稳定性，可在相当高的温度下长时间工作；以Ti-Al-V合金为代表的超塑性合金，可以50%~150%地伸长加工成型，其最大伸长可达到2000%。而一般合金的塑性加工的伸长率最大不超过30%。

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由于上述优异性能，钛享有“未来的金属”的美称，钛合金已广泛用于国民经济各部门，它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料。船舶、化工、电子器件和通讯设备以及若干轻工业部门中要大量应用钛合金，只是目前钛的价格较昂贵，限制了它的广泛使用。

2. 钛的基本知识及在牙科铸造修复体中的应用

钛在地球中的蕴藏量列第九位。而作为金属元素，仅次于铝、铁、镁，居第四位。1791年，英国人Gregor最先发现钛这种元素，并以古希腊的泰坦神命名，其含义是金属中的巨人。但该元素与氧、氮、碳有极强的亲和性，易氧化，不易提炼，作为金属元素被单独分离出来是在20世纪。由于钛具有比重轻，比强度高，耐腐蚀性强及生物相容性好等优点，已被广用于航天、航空、电力、石油化工、通迅、轻工、医疗等领域中。

牙科领域从60年代开始使用纯钛制作种植体的人造牙根部分，70年代用于矫治牙列不齐的矫治丝，80年代初发展了冠、桥及义齿支架的铸造技术。同时，由于钛铸件易产生缺陷而发明了牙科用焊接机。到90年代钛及含钛合金在牙科领域中的应用越来越普及。

第四军医大学与洛阳轻工通用机械厂从1993年起联合研制牙科铸钛机，1995年开发出我国第一台牙科用铸钛机，为我国开展牙科铸钛技术创造了有利的条件。而且我国的钛及含钛合金价格便宜，每千克纯钛仅为钴—铬合金价格的1/3，因而可以看到钛及含钛合金铸造修复体(Castable Tiand Ti Al- loy Prosthesis)在牙科应用的广阔前景。

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3. 钛及含钛合金的理化性能 3.1. 纯钛

纯钛的外观为银白色。根据氢、氧、氮、铁等杂质的含量不同，纯钛分为三类：TA1的含量<0.4%，TA2的含量<0.5%，TA3的含量<0.68%。熔点为1668℃，高于目前牙科用高熔合金的熔点。其结晶构状低温状态时(<885℃)为稳定稠密的六方晶体，在高温状态下(>885℃)则变为空心立方晶体。比重为4.5g/cm3，无磁性，热膨胀系数为9.0X10-6cm/℃，室温状态其抗拉强度为33.6—67.2kg/mm2，延展性为24.5%~59.5%，挤压强度为40%—55%，硬度(HV)100~150。铸造收缩率为1.75%，是目前牙科用高熔合金中收缩率最小的一种。化学性质稳定，具有极佳的耐腐蚀性，与骨组织有很好的相容性，细胞毒性仅次于TO。牙科铸造修复体主要使用TA2。

3.2. 含钛合金

目前，牙科领域所研制的含钛合金达30余种，因受各种因素的影响，真正用于牙科领域中的含钛合金种类却极少。在日本，只有了Ti—6Al—4V通过了厚生省的批准被用于牙科。在我国，牙科领域中所用的含钛合金种类有了l—6Al—4V，Ti75。开发合金化钛的目的是为了克服纯钛在制作铸造支架过程中韵缺点，以提高其强度、硬度及弹性。

Ti75是西北有色金属研究院研制的新型结构含钛合金，不含有害元素V，而且Al含量仅为Ti—6Al—4V中A1含量的1/2，具有中强

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度、高韧性的特点。其耐腐蚀、抗疲劳性能均优于Ti—6At—4V。试验结果显示，其细胞毒性与纯钛相似，组织皮下埋植试验无肿胀、渗血及材料排斥反应，生物相容性好，是较理想的局部义齿支架铸造材料。

Ti—6Al—4V合金的细胞毒性及生物相容性试验结果均与纯钛相似。但其抗冲击性、抗断裂韧性、抗疲劳性与Ti75相比均较低，但抗变形能力优于Ti75。试验结果显示，Ti—6Al—4V的流铸性能较纯钛差。

4. 钛及含钛合金铸造时的流铸性特点

钛及含钛合金由于熔点高、易发生铸造缺陷，欲获得符合要求的铸件，掌握其在铸造时的流动性及凝固过程是非常重要的。渡边孝一等人对此进行了X光检测和标识元素熔解法等系统研究。方法是用厚度1.4mm和0.45mm的蜡片制做出20mm×23mm的板状试件，用厚度为0.9mm带有圆孔状蜡网制作成25mm×25mm的蜡网试件，分别安插直径为2.5mm，长度为6mm的蜡线做铸道，每个铸型中放置±述试件各一个，并在各铸道中插入直径为0.3mm的铂丝后进行包埋，烘烤焙烧后，分别使用纯钛和Ti—6A1—4V进行铸造。铸造后铸件酸洗，X光进行缺陷检测。其结果显示：1.4mm含钛合金明显高于纯钛。0.45mm厚度的纯钛及含钛合金铸板外观均显示铸造不全，含钛合金的铸造不全率及。内部缺陷率均高于纯钛。0.9m出厚度的纯钛及含钛合金铸网外观均显示为铸造不全，但含钛合金的铸造不全率明

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显高于纯钛。在标识元素方面显示结果来看，1.40mm厚度的纯钛和含钛合金铸板两者无明显差异，均为F型方式。0.45mm厚度的纯钛及含钛合金铸板均显示为W型的充型方式，但含钛合金所形成的凝固层明显厚于纯钛。由此可指出：钛及含钛合金的液态金属流铸形式不同于现用的其它牙用合金，是在向型腔内铸人同时即形成凝固层，因而铸件的熔模不宜做得太薄，以防止铸造不全。0.9mm厚度的纯钛及含钛合金铸网方面均显示为B型的充型方式，标识元素铂丝均未被完全熔化。通过对铸网的放大观察显示，含钛合金的溶液中含有凝固粒子，铸造性能不如纯钛是由于其粘性系数大所致。

该实验还得出了铸造时惰性气体的浓度左右着金属层流和紊流，当液态金属流速慢时易发生紊流。钛及含钛合金在铸造时是边注人边形成凝壳，影响着随液态金属被卷入的气体外排的通道。加压铸造的内部缺陷发生频率明显高于离心铸造。压力的大小、离心旋转的快慢左右着液态金属的铸人率。由于钛铸造时离心力明显大于压力的作用，两种形式的流铸率，有着明显的差异，两者的缺陷发生率及发生部位有着很大的区别。

5. 牙科铸钛修复体的种类 5.1. 冠、桥修复体

有人对纯钛铸造全冠桥经临床近十年的观察发现：其适合性达到甚至超过贵金属制作的冠桥的60%。与镍络合金制作的冠桥相比，达到或超过其适合性的92%。其中有近一半以上的冠。实验结果证明，

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