CN109158516A - 一种钛合金tc20接骨板的制造方法 - Google Patents

一种钛合金tc20接骨板的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及医用人体植入物钛合金接骨板技术领域，尤其是一种钛合金TC20接骨板的制造方法，包括以下步骤：(1)钛合金接骨板热模锻造模具制备；(2)接骨板坯料制备：所述接骨板坯料为钛合金TC20棒料；(3)钛合金接骨板模锻：①坯料加热：加热温度为880‑980℃，保温时间0.5‑1.0小时；②锻压：采取低速率变形方式，变形速率控制在0.03‑0.8s‑1，总变形量＞75％；模具加热温度650‑780℃；(4)钛合金接骨板成品加工：去除飞边毛刺，进行去应力退火，退火温度为600‑700℃，保温0.5小时，炉冷。该制造方法解决了现有工艺中钛合金TC20接骨板加工余量大和各向异性问题。

Description

一种钛合金TC20接骨板的制造方法
技术领域
本发明涉及医用人体植入物钛合金接骨板技术领域，具体领域为一种钛合金接骨板。
背景技术
钛合金由于其具有密度低、比强度高、耐蚀性好、耐热性高、无磁、焊接性能好以及优异生物相容性等优良性能被广泛应用于航空航天、军工和化工等领域。自从20世纪60年代钛合金用做口腔种植体后，钛合金便开始在生物医用材料领域得到广泛的发展和应用。由于钛及钛合金具有较低的弹性模量、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性，成为生物医用材料的首选。从上世纪医用钛合金使用开始，Ti6Al4V和Ti6A14VELI合金就大量应用于医用领域。然而，随着生物医学的发展，通过对工业上与V接触的工人观察和动物实验认为，V对机体有潜在的毒性。研究V在兔子体内的植入行为也得出同样结论。由于大量数据证实V对人体具有毒性作用，因而20世纪80年代，瑞士研制出无V的α+β型钛合金Ti6Al7Nb(中国牌号TC20)合金。这种合金的力学性能与Ti6A14V相近，弹性模量为骨弹性模量的4倍左右。近年来我国开始越来越多的使用这种钛合金材料制造骨科制品，接骨板就是使用该钛合金材料的常用骨科制品。
传统的钛合金接骨板是用钛合金轧制板材制造，制造方法是：选取合理的钛合金轧制板材剪切下料，经过机械加工，制造出合格精度和尺寸的接骨板。一方面，由于接骨板形状因素，使其机械加工余量大，材料利用率低，成本较高。另一方面，因为钛合金轧制板材有明显力学性能各向异性——轧制方向力学性能高，与轧制方向的横向力学性能低，使接骨板受力时各方向力学性能不一致，性能稳定性差，容易造成接骨板疲劳断裂问题，影响使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛合金TC20接骨板的制造方法，用TC20光棒为原料，通过模锻热加工，解决现有工艺中钛合金接骨板加工余量大和各向异性问题。
钛合金的模锻一般分为普通模锻、热模锻造和等温锻造，是钛合金近净成形制造的先进工艺。由于TC20钛合金含有难熔金属铌，使其变形抗力大，普通模锻成形难度大，产品性能不稳定；而等温锻造是把模具加热至和钛合金锻造温度一致的锻造方法，需要用耐高温的镍基高温合金做模具，模具材料成本很高，模具使用寿命低。所以本发明是用国内外领先的热模锻造工艺生产钛合金接骨板：使得锻造模具加热温度比钛合金锻造温度低150-200℃，进行锻造加工，既能达到钛合金接骨板容易成形的目的，又能使模具生产可以用较低成本的耐热钢制造，达到钛合金接骨板生产成本降低，组织均匀，性能更稳定的目标。
为实现上述目的，本发明具体提供如下技术方案：
一种钛合金TC20接骨板的制造方法，包括以下步骤：
(1)钛合金接骨板模锻模具制备；
(2)接骨板坯料制备：所述接骨板坯料为钛合金TC20棒料；
(3)钛合金接骨板模锻：
①坯料加热：加热温度为880-980℃，保温时间0.5-1.0小时；
②锻压：采取低速率变形方式，变形速率控制在0.03-0.8s-1，总变形量＞75％；模具加热温度650-780℃；保证产品不出缺陷又能流变充满模具；
(4)钛合金接骨板成品加工：去除飞边毛刺，进行去应力退火，退火温度为600-700℃，保温0.5小时，炉冷。
本发明所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其中，所述步骤(1)中，模具材料选用含铬钨铌的铁素体型耐热钢。其优点是膨胀系数小，热强度较高，抗氧化性能好，经过表面处理后，热硬性好，使用寿命较长。
本发明所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，为了保证锻压时合理的金属流向，选用正挤压方式。其中，所述模具设计成上模和下模；为了保证工件流变充满，采用上下模垂直方向变形，使金属按挤压方向流动，底部成形后向左右流动。为方便取出成品，模具根据接骨板尺寸设计斜度角为2-3度。
本发明所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其中，热模锻造模具和普通模锻模具不同的是，要设计模具的加热系统和耐热保温层。本发明根据耐热钢热力学参数、热平衡计算、热强度等数据，建力数学模型用数字设计热模具外形和尺寸。模具采用内热式电加热、外部加耐热保温层材料的结构；模具内表面为了保证热硬度进行高温氮化处理，氮化层深度0.3-0.8mm。
本发明所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其中，所述步骤(2)中，所述接骨板坯料选用钛合金热轧成形磨光棒料。其成分范围不仅完全符合国标、美标和国际标准，还含有细化晶粒组织稳定机械性能的微量元素，有效保证接骨板的良好力学性能。
本发明所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其中，所述棒料的规格尺寸根据接骨板的大小确定，锯切下料；棒料表面涂装防氧化润滑涂料，在＜400℃下烘干，保证钛合金棒料加热和锻压时表面的氧化和锻压时润滑。
本发明所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其中，所述防氧化润滑涂料的主要成分包括玻璃体和硼化物。
本发明所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其中，所述步骤(3)中，所述坯料在箱式电阻炉中加热；所述锻压在电脑控制的800吨液压快锻机上进行，保证钛合金接骨板锻压加工过程的准确性，变形速率、变形量可精准控制。
本发明所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其中，所述步骤(4)中，退火在电炉中进行，并用专用支具支撑。
本发明所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其中，退火后的钛合金TC20接骨板进行校正精整，修磨；然后按照接骨板成品图纸，用CNC数控加工中心进行精确机械加工；机械加工后成品进行探伤检查，组织分析，力学性能测试，成品入库。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明是用钛合金棒材在超塑性温度下，低速率变形，流变成形，使接骨板组织细化，性能均匀稳定，确定了较完整的该类钛合金模锻模具制造工艺和接骨板的模锻热加工工艺。本发明的制造方法解决了现有工艺中钛合金TC20接骨板加工余量大和各向异性问题。
附图说明
图1为采用本发明的制造方法所制备的接骨板照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种钛合金TC20接骨板的制造方法，包括以下步骤：
(1)钛合金接骨板模锻模具制备：
其工艺流程为：接骨板模具CAD设计图→模具钢下料→数控加工中心(CNC)机械加工→模具热处理→精加工→模具内表面氮化处理→安装加热装置和耐热保温层→抛光→验模→成品模具
模具材料选用含铬钨铌的铁素体型耐热钢。其优点是膨胀系数小，热强度较高，抗氧化性能好，经过表面处理后，热硬性好，使用寿命较长。为了保证锻压时合理的金属流向，选用正挤压方式。其中，模具设计成上模和下模；为了保证工件流变充满，采用上下模垂直方向变形，使金属按挤压方向流动，底部成形后向左右流动。为方便取出成品，模具根据接骨板尺寸设计斜度角为2-3度。
热模锻造模具和普通模锻模具不同的是，要设计模具的加热系统和耐热保温层。根据耐热钢热力学参数、热平衡计算、热强度等数据，建力数学模型用数字设计热模具外形和尺寸。模具采用内热式电加热，外部加耐热保温层材料的结构。模具内表面为了保证热硬度进行高温氮化处理，氮化层深度0.3-0.8mm。
(2)接骨板坯料制备：
其工艺流程为：选定钛合金棒材规格→钛合金棒料锯切→棒料表面涂防氧化涂料→入烘干炉烘干棒料→坯料备用
接骨板坯料为钛合金TC20棒料，选用钛合金热轧成形磨光棒料，其成分范围不仅完全符合国标、美标和国际标准，还含有细化晶粒组织稳定机械性能的微量元素，有效保证接骨板的良好力学性能。
棒料的规格尺寸根据接骨板的大小确定，锯切下料；棒料表面涂装防氧化润滑涂料，在＜400℃下烘干，保证钛合金棒料加热和锻压时表面的氧化和锻压时润滑。防氧化润滑涂料的主要成分包括玻璃体和硼化物。
(3)接骨板生产
工艺流程为：接骨板坯料制备(棒料)→坯料加热→用模具锻压成形→修整打磨→退火校正→机械加工(CNC)→检查测试→成品入库
钛合金接骨板模锻：
①坯料加热：在箱式电阻炉中加热；加热温度为880-980℃，保温时间0.5-1.0小时；
②锻压：采取低速率变形方式，变形速率控制在0.03-0.8s-1，总变形量＞75％，模具加热温度650-780℃；保证产品不出缺陷又能流变充满模具；锻压在电脑控制的800吨液压快锻机上进行，保证钛合金接骨板锻压加工过程的准确性，变形速率、变形量可精准控制。
钛合金接骨板成品加工：去除飞边毛刺，进行去应力退火，在电炉中进行，并用专用支具支撑，退火温度为600-700℃，保温0.5小时，炉冷。
退火后的钛合金接骨板进行校正精整，修磨；然后按照接骨板成品图纸，用CNC数控加工中心进行精确机械加工；机械加工后成品进行探伤检查，组织分析，力学性能测试，成品入库。
本钛合金接骨板的制造方法最终制得的接骨板如图1所示。其力学性能如下：
TC20接骨板(纵向，横向)：σb：950-1090MPa；δ(％)：12-16；Ψ(％)：30-35。
接骨板的金相组织均达到生物医用钛合金国际标准和GB/T13810-2016A1-A3组织标准。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种钛合金TC20接骨板的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)钛合金接骨板热模锻造模具制备；
(2)接骨板坯料制备：所述接骨板坯料为钛合金TC20棒料；
(3)钛合金接骨板模锻：
①坯料加热：加热温度为880-980℃，保温时间0.5-1.0小时；
②锻压：采取低速率变形方式，变形速率控制在0.03-0.8s-1，总变形量＞75％；模具加热温度650-780℃；
(4)钛合金接骨板成品加工：去除飞边毛刺，进行去应力退火，退火温度为600-700℃，保温0.5小时，炉冷。
2.根据权利要求1所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中，模具材料选用含铬钨铌的铁素体型耐热钢。
3.根据权利要求2所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其特征在于：所述模具设计成上模和下模，采用上下模垂直方向变形，模具根据接骨板尺寸设计斜度角为2-3度。
4.根据权利要求3所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其特征在于：所述模具采用内热式电加热、外部加耐热保温层材料的结构；模具内表面进行高温氮化处理，氮化层深度0.3-0.8mm。
5.根据权利要求1所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述接骨板坯料选用钛合金热轧成形磨光棒料。
6.根据权利要求5所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其特征在于：所述棒料的规格尺寸根据接骨板的大小确定，锯切下料；棒料表面涂装防氧化润滑涂料，在＜400℃下烘干。
7.根据权利要求6所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其特征在于：所述防氧化润滑涂料的主要成分包括玻璃体和硼化物。
8.根据权利要求1所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述坯料在箱式电阻炉中加热，所述锻压在800吨液压快锻机上进行。
9.根据权利要求1所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其特征在于：所述步骤(4)中，退火在电炉中进行，并用专用支具支撑。
10.根据权利要求9所述的钛合金TC20接骨板的制造方法，其特征在于：退火后的钛合金接骨板进行校正精整，修磨；然后按照接骨板成品图纸，用CNC数控加工中心进行精确机械加工；机械加工后成品进行探伤检查，组织分析，力学性能测试，成品入库。
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