CN105018925A - 激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法，通过半导体激光器对医用β钛合金进行表面重熔处理，激光重熔的工艺参数为激光功率350～500W,扫描速度1～5mm/s，加工道次为1道次。本发明的方法显著提高了医用β钛合金材料表面的硬度，且表面改性后的医用β钛合金表面光滑平整，不需再进行表面精加工即可用于后续工艺流程。

Description

激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于外科植入领域的医用β钛合金的表面改性方法，具体是采用激光重熔表面处理技术对生物医用β钛合金Ti-35Nb-2Ta-3Zr(wt.％)进行表面改性，通过激光重熔工艺，提高医用β钛合金的力学性能。

背景技术

20世纪50年代初期，在英国和美国，纯钛首先被用来制造接骨板、髋关节、髓内钉和螺钉等生物医用材料。但临床发现，纯钛制造的髋关节和髓内钉的强度、刚度明显不足。从二十世纪九十年代开始，新型钛合金的研制开发就成为医用材料的开发重点。然而钛合金在生物医学方面的应用不只是对生物相容性、耐蚀性等有所要求，对其表面力学性能也有具体的要求，以减小甚至消除长期植入性材料在使用后对人体组织的不良后果。

目前制备的生物医用钛及钛合金还存在着如硬度低、耐高温性较差、导电性和可焊性不良、耐磨性不好等缺陷，由于其应用领域的特殊性，对其材料的性能要求也更高。通常我们需要采用表面处理或表面改性的方法改善和提高钛及钛合金的使用特性，现有技术中主要通过微弧氧化法、渗碳处理、溶胶凝胶、气相沉积、等离子喷涂、离子注入、搅拌摩擦焊接等技术对钛及钛合金进行表面处理或改性，但效果不是很理想。因此，开发一种新的表面处理或改性方法以提高生物医用钛及钛合金的硬度，使其满足使用要求，将具有广阔的应用前景。

发明内容

针对现有技术中的局限性，本发明的目的是提供一种激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法。本技术应用于自制研发的医用β钛合金Ti-35Nb-2Ta-3Zr中，此β钛合金具有低弹性模量、无毒性，用于植入外科医用领域，通过激光重熔技术，可以显著提高医用β钛合金表面的硬度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法，包括以下步骤：

(a)、材料表面处理:将轧制退火后的医用β钛合金表面打磨去除氧化皮、矫直,同时保证表面光滑与平整度，再用丙酮清洗以保持试样表面清洁；

(b)、固定加工试样:将医用β钛合金用夹具固定在半导体激光设备的工作台上，经步骤(a)处理的表面朝上，并设置激光重熔的工艺参数,加工过程中保证激光重熔过程中β钛合金不被氧化；

(c)、材料表面处理：对步骤(b)中固定后的医用β钛合金进行激光重熔表面改性处理；加工过程中用氩气保护,加工道次为1道次。钛合金在表面改性过程中具有吸气性的特点，加工过程中用氩气保护，有效避免了钛合金在熔化过程中与空气接触发生腐蚀。

优选地，所述的β钛合金的成分及质量百分比为：Nb:35％,Ta:2％,Zr:3％，Ti:60％。在β钛合金中，Nb、Ta、Zr等元素的加入一方面具有较好的生物相容性，可以减小或避免长期植入体内会对身体造成的毒性作用，成为医用β钛合金材料开发的重点；另一方面，以Ti-Nb，Ti-Ta，Ti-Zr为基体的β钛合金相比较其他常用的钛合金，可以获得更低的弹性模量和更高的强度，可以减少或避免钛合金具有较大的弹性模量，植入体内造成“应力屏蔽”现象。故此配比的β钛合金材料具有较大的医用潜力。

医用β钛合金结构为Ti-35Nb-2Ta-3Zr。由于Nb、Ta、和Zr元素的加入，此β型钛合金具有低弹性模量和生物相容性(无毒)的优势。

优选地，所述的医用β钛合金Ti-35Nb-2Ta-3Zr的制备方法包括：设计Nb、Ta和Zr的含量，在真空自耗电弧炉熔炼；然后材料经过热锻、去除材料表面氧化皮、轧制变形和退火完成。

优选地，所述的医用β钛合金Ti-35Nb-2Ta-3Zr的制备方法包括：

步骤一、采用真空自耗熔炼技术设计Nb、Ta和Zr的含量，与海绵钛混合后压制成型，并将铸锭至少淬火两次；

步骤二、将淬火后的铸锭经机加工后用氩弧焊与辅助电极焊合，重新在真空自耗电弧炉熔炼；

步骤三、将熔炼后的锭子在950℃热锻，去除材料表面氧化皮，在920℃～950℃对材料进行轧制变形后退火处理。

优选地，步骤(a)所述轧制后的医用β钛合金厚度为0.5～1mm。

优选地，步骤(a)所述轧制后的退火时间为3～5min，以获得原始态组织。

优选地，所述的步骤(b)中，采用的激光器类型为ROFIN DL 035Q半导体激光器，激光最大功率为3.5千瓦，半导体激光设备的输出激光的波长为808nm～940nm。

优选地，所述的步骤(b)中，激光重熔的工艺参数为功率350～500W,扫描速度1～5mm/s。当激光功率小于350W且扫描速度大于5mm/s时，医用β钛合金不能获得熔化再凝固组织。当激光功率大于500W且扫描速度小于1mm/s时，医用β钛合金氧化烧损严重，材料发生严重脆化断裂。

优选地，所述的步骤(c)中，进行激光重熔时的激光束能量分布为慢轴方向成高帽分布，在快轴方向呈高斯分布。

优选地，所述的步骤(c)中，进行激光重熔时激光焦点处斑点为矩形，其尺寸为2.0mm×3.3mm。

优选地，所述的步骤(c)中，氩气气体流量为20～30L/min。

优选地，所述的步骤(c)中，激光器与医用β钛合金加工表面的距离为3mm。

本发明所述激光重熔技术是激光表面改性方法的一种，激光表面改性技术能够改善材料表面性能，在提高材料使用寿命方面具有突出的优越性。激光表面改性技术处理后的改性层稀释率低，改性层厚度容易控制，改性层与基体呈牢固的冶金结合，且激光表面改性处理速度快、热影响区小，不会引起基体材料性能和尺寸的变化。采用激光重熔技术主要是利用高能量密度的激光束，使基体表面快速熔化和凝固。

本发明通过激光重熔技术对自制医用β钛合金Ti-35Nb-2Ta-3Zr进行表面改性，针对钛合金在表面改性过程中具有吸气性的特点，防止钛合金在熔化过程中与空气接触发生接触腐蚀，实验表明保护气体流量设定为20-30L/min较为适宜。针对医用β钛合金的厚度取值范围和保证激光重熔工艺的质量，加工道次为1道次。加工过程中由于β钛合金有ω相的析出，ω相硬度很高(HB≈500)，脆性极大(δ→0)，呈弥散分布，可加强细晶强化效果，显著提高了β钛合金的硬度。且经表面处理后的β钛合金不需再进行表面精加工工艺，可直接进行后续的加工处理。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明的方法是在医用β钛合金表面进行激光重熔,显著提高了钛合金的硬度。

(2)本发明的方法简单易操作，处理时间短，工件变形小，工作环境洁净，表面改性处理后不需要进行后续的表面精加工工艺，具有很大的市场推广和应用价值。

(3)本发明自制的医用β钛合金，由于其特定的成分和重量比，与现有技术的β钛合金相比，具有低弹性模量、高强度、耐腐蚀性和生物相容性的优势。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为激光重熔区域的组织金相图片；

图2为激光重熔熔合区组织金相图片；

图3为医用β钛合金经激光重熔后的硬度分布情况；

图4为采用搅拌摩擦焊接方法对医用β钛合金处理获得的表面改性层；

图5为经过激光重熔处理获得的表面改性层；

图6为重熔脆性断裂改性层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种采用激光重熔技术对医用β钛合金表面改性,具体步骤如下：

(a)、材料表面处理:将轧制退火后厚度为0.8mm的β钛合金表面打磨去除氧化皮,矫直，同时保证表面光滑与平整度，再用丙酮清洗以保持试样表面清洁；所述轧制退火的退火时间为5min。

(b)、安装加工试样:激光器为3.5千瓦ROFIN DL 035Q半导体激光器，输出激光的波长为808nm-940nm。进行激光重熔时激光焦点处斑点为矩形，其尺寸为2.0mm×3.3mm。将β钛合金用夹具固定在半导体激光设备的工作台上，并设置好加工的各个工艺参数：激光重熔功率为450W，扫描速度为2mm/s，激光器与工件表面的距离为3mm，激光重熔1道次。

(c)、材料表面处理：对步骤(b)中确认的医用β钛合金进行激光重熔表面改性；加工过程中用氩气保护,保护气体流量为25L/min。进行激光重熔时的激光束能量分布为在慢轴方向成高帽分布，在快轴方向呈高斯分布。

所述医用β钛合金的组成成分及质量百分比为：Nb:35％,Ta:2％,Zr:3％，Ti:60％。其制备方法包括：采用真空自耗熔炼技术设计Nb、Ta和Zr的含量，与海绵钛混合后压制成型，并将铸锭至少淬火两次；将淬火后的铸锭经机加工后用氩弧焊与辅助电极焊合，重新在真空自耗电弧炉熔炼；将熔炼后的锭子在950℃热锻，去除材料表面氧化皮，在920℃～950℃对材料进行轧制变形后退火处理。

激光重熔后重熔区域的组织金相如图1所示，激光重熔后重熔熔合区的组织金相如图2所示，激光重熔后的硬度分布如图3所示。由图1和2可知，重熔后的组织一般是较为发达的柱状晶或树枝晶，由于激光重熔的快速熔化和快速凝固特性，得到的重熔层组织较为均匀。由图3可知，经过重熔表面改性处理，硬度大幅度提高，激光重熔区域的硬度比母材区域提高了150HV左右。

实施例2

采用激光重熔处理对医用β钛合金表面改性,具体步骤参照实施例1，不同之处如下：

轧制退火后厚度为1.0mm的医用β钛合金激光重熔的加工工艺参数：激光重熔功率为500W，扫描速度为5mm/s，氩气保护的气体流量为30L/min。

经过重熔表面改性处理，重熔区域的硬度比母材提高了150HV左右。

实施例3

采用激光重熔处理对医用β钛合金表面改性,具体步骤参照实施例1，不同之处如下：

设计轧制退火后厚度为0.6mm的医用β钛合金激光重熔改性的工艺参数：激光重熔功率为350W,扫描速度为1mm/s，氩气保护的气体流量为20L/min。

经过重熔表面改性处理，重熔区域的硬度比母材提高了100HV左右。

对比例1

采用现有技术的搅拌摩擦焊接方法对实施例1所述医用β钛合金进行表面改性，获得的表面改性层如图4所示，与图5所示的实施例1-3获得的表面改性层相比，采用搅拌摩擦焊接方法获得的改性层表面粗糙不平，不能直接应用，需要进行后续的表面精加工；而利用激光重熔方法获得的改性层表面光洁平滑，可直接应用，减少了表面精加工的工艺。

对比例2

采用激光重熔处理对实施例1所述医用β钛合金表面改性,具体步骤参照实施例1，不同之处如下：

步骤(c)中，进行医用β钛合金的加工工艺参数：激光重熔功率为600W，扫描速度为0.8mm/s时，保护气体流量为15L/min时，材料表面层极易氧化，且重熔区域极易发生脆断，如图6所示。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、材料表面处理:将轧制退火后的β钛合金表面打磨去除氧化皮、矫直，再用丙酮清洗；

b、固定加工试样:将步骤a处理后的医用β钛合金固定在半导体激光设备的工作台上，经处理的表面朝上，并设置激光重熔的工艺参数；

c、材料表面处理：在氩气保护下进行激光重熔表面改性处理,加工道次为1道次。

2.如权利要求1所述的激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法，其特征在于，所述的β钛合金的成分及质量百分比为：Nb:35％,Ta:2％,Zr:3％，Ti:60％。

3.如权利要求1所述的激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法，其特征在于，步骤a所述轧制退火后的β钛合金厚度为0.5～1mm。

4.如权利要求1所述的激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法，其特征在于，步骤a所述轧制退火的退火时间为3～5min。

5.如权利要求1所述的激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法，其特征在于，所述的步骤b中，半导体激光设备的输出激光的波长为808nm～940nm。

6.如权利要求1所述的激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法，其特征在于，所述的步骤b中，激光重熔的工艺参数为功率350～500W,扫描速度1～5mm/s。

7.如权利要求1所述的激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法，其特征在于，所述的步骤c中，进行激光重熔时激光焦点处斑点为矩形。

8.如权利要求1所述的激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法，其特征在于，所述的步骤c中，进行激光重熔时的激光束能量分布为在慢轴方向成高帽分布，在快轴方向呈高斯分布。

9.如权利要求1所述的激光重熔技术表面改性医用β钛合金的方法，其特征在于，所述的步骤c中，氩气气体流量为20～30L/min。

10.如权利要求1所述的激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法，其特征在于，所述的步骤c中，激光器与β钛合金加工表面的距离为3mm。