CN109023189B - 一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺 - Google Patents

一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，是将用Ti‑6Al‑4V合金材料制作的阶梯形变幅杆超声刀刀杆以≥95℃/min的加热速度升温至β相变温度以下10～40℃保温固溶后，空冷至室温；然后，再以≥25℃/min的加热速度升温至490～530℃时效后，空冷至室温。本发明通过优化热处理工艺，调控合金基体中α相、β相含量，较大幅度提高了超声波在基体中的传播效率；同时结合刀杆结构的优化，有效缓解节点处应力集中，有利于超声波在刀杆中的传播并增大超声波引起的刀杆尖端振幅，使刀杆尖端振幅较热处理前最高提升26.5%。本发明工艺简单、操作方便、可大幅提高超声刀刀杆振幅；适于超声刀刀杆的应用。

Description

一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺
技术领域
本发明公开了一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺。属于金属材料热处理技术领域。
背景技术
随着人们对医疗技术水平的要求越来越高，传统的外科手术向伤口更小、出血更少的方向发展，促进了医疗设备技术的更新。如数字减影与介入手术、腔镜技术与腔镜手术、超声技术与超声刀等。特别是超声刀技术能使手术更精确、无焦痂生成、术中视野更清晰等优点在外科手术中被广泛应用。
20世纪90年代以来,超声外科在生物医学领域中的应用越来越广泛。高效、灵活的超声手术刀的研制已成为相关领域研究的热点。它最先应用于眼科和神经外科手术，主要用来进行精细分割。随着外科手术的不断深入开展，它广泛的用途得到了人们的认可，使用范围越来越广。由于在使用时烟雾少，不影响手术视野，进而将超声刀引入腹腔镜外科，大大促进了腔镜外科的发展。随着使用经验的积累和研究的不断深入，超声刀的使用范围已逐步拓宽，除腹腔镜手术外，传统开放手术应用超声刀的病例也逐步增多。目前超声手术刀主要应用在白内障乳化、肝胆肿瘤吸引、吸脂美容、切骨、切割凝血等。由于它具有精度高、出血少、无灼伤、术后恢复快等优点,已经有取代高频电刀、机械夹钳等的趋势。
超声外科手术，是利用超声刀杆在频率高于20kHz以上，产生的高频振幅振动，对所需切割部位进行精准有效的切割。切割主要依赖瞬时加速度。根据有关研究证明，用于切割软组织的振动的加速度阈值大约是5×104g（g表示重力加速度的单位，g≈10m/s2）。如若将作用点以不少于阈值的机械加速度的振动速度完全传递到具有活性的生物组织之上时，被作用的组织处即可被迅速地拉开，这部分组织同周围组织分离，而同时不会损伤其周围的组织，以此完成切割的目的；如若作用点的机械加速度没超过5×104g这一阈值，被作用的组织处不能被切开。由此而知，为了让超声刀的振动加速度超过阈值（加速度a=A（2πf）2）,在设定了频率的前提下，必须得顾及到振动位移幅值。通过公式计算可知，对于工作频率为20kHz的超声刀，其刀头最小的振动位移幅值应该超过32μm，这样才可以切开生物组织。
在整个超声刀系统中，刀杆作为直接作用工件，对其材料性能的要求极为严苛。其关键切割性能体现在刀杆的机械性能上—即对超声振幅的有效传递。就医用超声刀而言，研究表明，频率为23KHz的超声刀，要顺利完成对软组织的切割，其振幅至少需要到达32μm；而对骨组织顺利切割，其振幅需超过100μm。由此可见，振幅越大，超声刀所适用的范围越广，工作效率越高。
超声刀刀杆的振幅与其组织密不可分，目前作为超声刀杆最为常见的材料为Ti-6Al-4V合金。Ti-6Al-4V是典型的（α+β）两相钛合金，其组织可按α、β相的形貌与含量分为等轴组织、双态组织与魏氏组织。要获得大的振幅，就必须对其组织进行优化，提高超声能量效率，从而提高振幅。而对于Ti-6Al-4V等众多合金而言，其组织的优化与调控，最直观有效的方式就是热处理。
目前，Ti-6Al-4V这类（α+β）两相合金的热处理方式主要分为三大类：
（1）在合金β转变温度以下100℃左右固溶，保温1小时左右，之后在500～600℃进行时效，时间4～12小时，其组织特点是在均匀分布的含量超过50%的α相基体上，分布着一定数量的β转变组织；
（2）在合金β转变温度以下20～40℃左右固溶，保温1小时左右，之后在500～600℃进行时效，时间4～12小时，其组织特点是在β转变组织的基体上分布有互不相连α相，但α相总含量不超过50%；
（3）在合金β转变温度以上固溶，保温1小时左右，之后在500～600℃进行时效，时间4～12小时，其组织特点是粗大的原始β晶粒和完整的晶界α相，在原始β晶粒内形成尺寸较大的“束集”，同一“束集”内有较多的α片彼此平行，成同一取向。
传统的热处理方法对于提高Ti-6Al-4V合金结构材料的力学性能有着重要作用。然而，对于Ti-6Al-4V合金超声刀杆而言，其关键性能在于提高超声能量利用率与输出振幅。因此，以上三类热处理方法均存在局限，需要在其基础上研究新的热处理制度来起到提高Ti-6Al-4V合金超声性能的作用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种工艺简单、操作方便、可大幅提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺。
本发明一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，是将超声刀刀杆以≥95℃/min的加热速度升温至β相变温度以下10～40℃保温固溶后，空冷至室温；然后，再以≥25℃/min的加热速度升温至≤530℃时效后，空冷至室温。
本发明一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，固溶升温加热速度为95～120℃/min，固溶保温温度930～960℃，固溶保温时间不超过60s；
时效温度为490～530℃，时效升温速度为25～45℃/min，保温时间不超过60s。
本发明一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，优选：固溶升温加热速度为105～120℃/min，固溶温度935～955℃，固溶保温时间45-55s；
优选：时效温度为490～510℃，时效升温速度为30～40℃/min，保温时间45-55s；
更优选：固溶升温加热速度为110～120℃/min，固溶温度938～950℃，固溶保温时间45-50s；
优选：时效温度为490～498℃，时效升温速度为35～40℃/min，保温时间45-50s。
本发明一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，超声刀刀杆材料为Ti-6Al-4V热轧退火态棒材，组织类型为等轴组织或双态组织。
本发明一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，所述Ti-6Al-4V合金材料的元素质量百分含量为：
Ti 88.5～90.6， Al 5.45～6.25，V 3.65～4.55；杂质含量≤0.4%；或杂质含量为0.2～0.4%。
本发明一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，超声刀刀杆中，α相与β相的体积分数比为α：β≥1.5；优选α：β=1:1.5-2.5。
本发明一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，超声刀刀杆为阶梯型变幅杆，以刀杆长度方向的中心为变幅节点，在变幅节点两侧分别形成小直径刀杆与大直径刀杆，在变幅节点处采用圆弧过渡连接小直径刀杆与大直径刀杆。
本发明一种大振幅超声刀刀杆，所述小直径刀杆与大直径刀杆的直径比为1：1.5～3；优选1:1.8～2.8。
本发明一种大振幅超声刀刀杆，在变幅节点处连接小直径刀杆与大直径刀杆的过渡圆弧半径R取值范围是0.2～0.8mm；优选R取值范围0.4～0.6mm。
本发明通过改变热处理制度，实行高升温速率、采用β相变点以下短时固溶、降低温度短时时效的方式，有效改善其微观组织，优化两相含量与比例，同时，通过对刀杆结构的优化，达到提高超声能量利用率、提高振幅的目的。
本发明的热处理方法通过较快的升温速率将样品加热至β转变点附近，并通过保温处理形成固溶体，使得原样品中的晶粒尺寸较大的初生α晶粒部分生成β相，初生α相尺寸减小有利于超声波在样品中通过绕射机制进行传播，使得超声能量利用率大大提升，起到提高振幅的作用。同时，较短的保温时间使得初生α相在样品中仍保留一定的数量与尺寸，使得样品的强度得到有效保障，不至于在超声振动的过程中，出现断裂。
时效处理，使得样品中由固溶产生的亚稳定的β转变组织分解析出细小的次生α相，使得样品性能更加稳定。然而，次生α相含量的增多相当于增加了超声传播介质中的细小界面，使得声波散射增加，超声能量难以集中。因此，本发明采用1min以内的短时时效处理，使得样品中的β转变组织得以部分分解析出少量弥散的α相，在不影响超声传播的同时，进一步提高样品的强度。
本发明通过优化热处理工艺，达到调控合金基体中α相、β相含量，确保合金基体中α相、β相含量之比为1:1.5～2.5，在适当提高合金强度、略微降低合金延伸率的前提下，较大幅度提高了超声波在基体中的传播效率；同时结合刀杆结构的优化，在变幅节点处采用圆弧过渡连接，不仅有效缓解节点处应力集中，降低刀杆在超声振动过程中的两向张应力，减小了刀杆断裂的风险，还有利于超声波在大直径刀杆与小直径刀杆之间的传播；采用立体阶梯型变幅结构，形成大直径刀杆与小直径刀杆的组合，有利于增大超声波引起的刀杆尖端振幅，使刀杆尖端振幅较热处理前最高提升26.5%。
本发明工艺简单、操作方便、可大幅提高超声刀刀杆振幅；适于超声刀刀杆的应用。
附图说明
附图1为超声刀杆的俯视外观示意图；
附图2为超声刀杆的平面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
对比例：
如图1和图2所示，刀杆采用Ti-6Al-4V合金材料，刀杆形状为阶梯型变幅杆，以刀杆长度方向的中心为变幅节点，在变幅节点两侧分别形成小直径刀杆与大直径刀杆，小直径刀杆与大直径刀杆直径比值为5：2，节点处采用R=0.5设计。
其热处理方法包括：
（1）原材料准备：Ti-6Al-4V热轧退火态棒材，直径8.05mm，长度为100mm，其中Ti、Al、V元素的含量分别为89.62%，6.05%，4.13%，杂质含量为0.4wt.%；抗拉强度为1005（Mpa），伸长率为14.5%，断面收缩率为34%；
（2）固溶处理：以5℃/min的升温速率将样品加热至950℃，保温1h，然后将样品置于空气中迅速冷却至室温；
（3）时效处理：将上述固溶样品以5℃/min的升温速率加热至550℃，保温4h，然后将样品置于空气中迅速冷却至室温。
（4）机加工、抛光与清洁处理后得到成品。
该实例所得超声刀刀杆，通过imageJ图像分析软件测得α、β相比例分别为42.4%与57.6%，α：β=1:1.358；抗拉强度为1020（Mpa），伸长率为13.6%，断面收缩率为31%；将所述刀杆外接超声主机与换能器，在220V电压下，刀杆共振频率为55.9KHz，刀杆尖端超声振幅为83μm。
实施例1：
如图1和图2所示，刀杆采用Ti-6Al-4V合金材料，刀杆形状为阶梯型变幅杆，以刀杆长度方向的中心为变幅节点，在变幅节点两侧分别形成小直径刀杆与大直径刀杆，小直径刀杆与大直径刀杆直径比值为5：2，节点处采用R=0.5设计。
其热处理方法包括：
（1）原材料准备：Ti-6Al-4V热轧退火态棒材，直径8.05mm，长度为100mm，其中Ti、Al、V元素的含量分别为89.62%，6.05%，4.13%，杂质含量为0.4wt.%；抗拉强度为1005（Mpa）伸长率为14.5%，断面收缩率为34%；
（2）固溶处理：以95℃/min的升温速率将样品加热至930℃，保温60s，然后将样品置于空气中迅速冷却至室温；
（3）时效处理：将上述固溶样品以40℃/min的升温速率加热至490℃，保温40s，然后将样品置于空气中迅速冷却至室温。
（4）机加工、抛光与清洁处理后得到成品。
该实例所得超声刀刀杆，通过imageJ图像分析软件测得α、β相比例分别为39.2%与60.8%，α：β=1:1.55；抗拉强度为1160（Mpa），伸长率为12.2%，断面收缩率为36%；将所述刀杆外接超声主机与换能器，在220V电压下，刀杆共振频率为55.9KHz，刀杆尖端超声振幅为91μm，相较对比例刀杆（振幅为83μm）提高8.4%。
实施例2：
如图1和图2所示，刀杆采用Ti-6Al-4V合金材料，刀杆形状为阶梯型变幅杆，以刀杆长度方向的中心为变幅节点，在变幅节点两侧分别形成小直径刀杆与大直径刀杆，小直径刀杆与大直径刀杆直径比值为5：2，节点处采用R=0.5设计。
其热处理方法包括：
（1）原材料准备：Ti-6Al-4V热轧退火态棒材，直径8.05mm，长度为100mm，其中Ti、Al、V元素的含量分别为分别为89.62%，6.05%，4.13%，杂质含量为0.4wt.%；抗拉强度为1005（Mpa）伸长率为14.5%，断面收缩率为34%；
（2）固溶处理：以105℃/min的升温速率将样品加热至940℃，保温60s，然后将样品置于空气中迅速冷却至室温；
（3）时效处理：将上述固溶样品以45℃/min的升温速率加热至530℃，保温50s，然后将样品置于空气中迅速冷却至室温。
（4）机加工、抛光与清洁处理后得到成品。
该实例所得超声刀刀杆，通过imageJ图像分析软件测得α、β相比例分别为32.5%与67.5%，α：β=1:2.07；抗拉强度为1044（Mpa），伸长率为11.3%，断面收缩率为33%；将所述刀杆外接超声主机与换能器，在220V电压下，刀杆共振频率为55.1KHz，刀杆尖端超声振幅为105μm，相较对比例刀杆（振幅为83μm）提高26.5%。
实施例3：
如图1和图2所示，刀杆采用Ti-6Al-4V合金材料，刀杆形状为阶梯型变幅杆，以刀杆长度方向的中心为变幅节点，在变幅节点两侧分别形成小直径刀杆与大直径刀杆，小直径刀杆与大直径刀杆直径比值为5：2，节点处采用R=0.5设计。
其热处理方法包括：
（1）原材料准备：Ti-6Al-4V热轧退火态棒材，直径8.05mm，长度为100mm，其中Ti、Al、V元素的含量分别为分别为89.62%，6.05%，4.13%，杂质含量为0.4wt.%；抗拉强度为1005（Mpa）伸长率为14.5%，断面收缩率为34%；
（2）固溶处理：以112℃/min的升温速率将样品加热至950℃，保温60s，然后将样品置于空气中迅速冷却至室温；
（3）时效处理：将上述固溶样品以35℃/min的升温速率加热至530℃，保温40s，然后将样品置于空气中迅速冷却至室温。
（4）机加工、抛光与清洁处理后得到成品。
该实例所得超声刀刀杆，通过imageJ图像分析软件测得α、β相比例分别为37.4%与62.6%，α：β=1:1.67；抗拉强度为1282（Mpa），伸长率为12.2%，断面收缩率为37%；将所述刀杆外接超声主机与换能器，在220V电压下，刀杆共振频率为55.5KHz，刀杆尖端超声振幅为97μm，相较对比例刀杆（振幅为83μm）提高16.9%。
实施例4：
如图1和图2所示，刀杆采用Ti-6Al-4V合金材料，刀杆形状为阶梯型变幅杆，以刀杆长度方向的中心为变幅节点，在变幅节点两侧分别形成小直径刀杆与大直径刀杆，小直径刀杆与大直径刀杆直径比值为5：2，节点处采用R=0.5设计。
其热处理方法包括：
（1）原材料准备：Ti-6Al-4V热轧退火态棒材，直径8.05mm，长度为100mm，其中Ti、Al、V元素的含量分别为分别为89.62%，6.05%，4.13%，杂质含量为0.4wt.%；抗拉强度为1005（Mpa）伸长率为14.5%，断面收缩率为34%；
（2）固溶处理：以115℃/min的升温速率将样品加热至960℃，保温60s，然后将样品置于空气中迅速冷却至室温；
（3）时效处理：将上述固溶样品以30℃/min的升温速率加热至510℃，保温60s，然后将样品置于空气中迅速冷却至室温。
（4）机加工、抛光与清洁处理后得到成品。
该实例所得超声刀刀杆，通过imageJ图像分析软件测得α、β相比例分别为38.3%与61.7%，α：β=1:1.61，抗拉强度为1013（Mpa），伸长率为13.4%，断面收缩率为35%；将所述刀杆外接超声主机与换能器，在220V电压下，刀杆共振频率为56.2KHz，刀杆尖端超声振幅为87μm，相较对比例刀杆（振幅为83μm）提高4.8%。
本发明所述刀杆采用Ti-6Al-4V合金材料，刀杆形状为阶梯形变幅杆，以刀杆长度方向的中心为变幅节点，在变幅节点两侧分别形成小直径刀杆与大直径刀杆，小直径刀杆与大直径刀杆直径控制变幅杆直径比为1：1.5～3，节点处采用R=0.5设计。这种特殊设计有利于增大超声传递过程中刀杆尖端振幅，结合热处理对Ti-6Al-4V合金组织性能的控制，使刀杆尖端振幅较热处理前提高16.4%；节点处采用R=0.5设计，能有效缓解节点处应力集中，降低刀杆在超声振动过程中的两向张应力，减小了刀杆断裂的风险。
本发明所述刀杆采用特殊的热处理制度：短时固溶+短时时效处理，有利于超声波通过绕射机制在刀杆中的传播，使得超声能量利用率大大提升，起到提高振幅的作用。同时，较短的保温时间使得初生α相在样品中仍保留一定的数量与尺寸，使得样品的强度得到有效保障，采用短时时效处理，使得样品中的β转变组织得以部分分解析出少量弥散的α相，在不影响超声传播的同时，进一步提高样品的强度。
以上所述设计参数仅为本发明部分实例，故不能以此限定本发明的实施范围，依本发明申请专利范围及说明书内容所做的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，是将超声刀刀杆以≥95℃/min的加热速度升温至β相变温度以下10～40℃保温固溶后，空冷至室温；然后，再以≥25℃/min的加热速度升温至≤530℃时效后，空冷至室温；超声刀刀杆中，α相与β相的体积分数比为α：β=1:1.5-2.5；超声刀刀杆材料为Ti-6Al-4V热轧退火态棒材，组织类型为等轴组织或双态组织；所述Ti-6Al-4V合金材料的元素质量百分比为：
Ti 88.5～90.6， Al 5.45～6.25，V 3.65～4.55；杂质含量≤0.4%。
2.根据权利要求1所述的一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，其特征在于：固溶升温加热速度为95～120℃/min，固溶保温温度930～960℃，固溶保温时间不超过60s；
时效温度为490～530℃，时效升温速度为25～45℃/min，保温时间不超过60s。
3.根据权利要求2所述的一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，其特征在于：固溶升温加热速度为105～120℃/min，固溶温度935～955℃，固溶保温时间45～55s；
时效温度为490～510℃，时效升温速度为30～40℃/min，保温时间45～55s。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，其特征在于：超声刀刀杆为阶梯型变幅杆，以刀杆长度方向的中心为变幅节点，在变幅节点两侧分别形成小直径刀杆与大直径刀杆，在变幅节点处采用圆弧过渡连接小直径刀杆与大直径刀杆。
5.根据权利要求4所述的一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，其特征在于：所述小直径刀杆与大直径刀杆的直径比为1：1.5～3。
6.根据权利要求4所述的一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，其特征在于：在变幅节点处连接小直径刀杆与大直径刀杆的过渡圆弧半径R取值范围是0.2～0.8mm。
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