CN111020292A

CN111020292A - 一种生物用超声刀专用tc4钛合金丝材及其生产方法

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Publication number: CN111020292A
Application number: CN201911405539.4A
Authority: CN
Inventors: 唐亚锋; 陈建军; 李新涛
Original assignee: Baoji Xinnuo New Metal Materials Co ltd
Current assignee: Baoji Xinnuo New Metal Materials Co ltd
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2039-12-30
Also published as: CN111020292B

Abstract

本发明提供了一种生物用超声刀专用TC4钛合金丝材，含有Al：5.5％‑6.5％，V：3.5％‑4.5％，Fe：0.15％‑0.25％，C：≤0.03％，N：≤0.05％，O：0.08％‑0.20％，H：≤0.008％，余量为钛和不可避免的杂质。其室温拉伸性能为：Rm≥1000MPa，Rp0.2≥1000MPa，A≥20％，Z≥45％，符合GB/T13810‑2017标准要求；而且其弹性模量≥130GPa，泊松比≥0.33。本发明的生物用超声刀专用TC4钛合金丝材料性能稳定、强度、塑性匹配性良好，满足超声刀特殊用途要求，制成超声刀刀头，其工作性能是目前其它金属材料无法取代的，具有广阔的应用前景。

Description

一种生物用超声刀专用TC4钛合金丝材及其生产方法

技术领域

本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种生物用超声刀专用TC4钛合金丝材及其生产方法。

背景技术

超声刀使用最早在90年代应用于眼科和神经外科手术，主要用于精细分割。随着外科手术的不断深入开展，它广泛的用途得到了认可，使用范围也越来越广。由于钛的热导率低，热导率低，没有热量积累，可以减轻对组织的伤害，对术后恢复很重要。

由于钛合金具有良好的耐腐蚀性、无毒、无磁性，TC4牌号不失为一种做超声刀刀头的最佳材料。由于在使用中产生的烟雾少，对手术时的视野影响小，超声刀的使用范围已逐步拓宽，除腹腔镜手术外，超声刀也在脊柱外科、神经外科、颌面外科、骨肿瘤科、胸外科、整形外科、手足外科等。相较于常规手术刀，采用超声刀进行手术，能实现精准切割，创面齐，无反震，易操作，出血少等特点，并且热损伤小。

由于超声刀对材料的弹性模量、泊松比等指标要求较高，传统的金属材料(铜、铝、不锈钢、钛及钛合金)均无法满足超声刀的工作要求。即使是同一种TC4牌号的材料其化学成分、力学性能、高倍组织形态等所有参数完全一致，也不能保证其工作效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种生物用超声刀专用TC4钛合金丝材及其生产方法，本发明的生物用超声刀专用TC4钛合金丝材能稳定、强度、塑性匹配性良好，进一步制作成超声刀刀头，其工作性能是目前其它金属材料无法取代的。

本发明的第一个方面是提供一种生物用超声刀专用TC4钛合金丝材，以质量百分数计，含有：

Al：5.5％-6.5％，例如可以为5.5％、5.6％、5.7％、5.8％、6.0％、6.1％、6.23％、6.31％、6.4％、6.5％等；

V：3.5％-4.5％，例如可以为3.5％、3.6％、3.7％、3.8％、4.0％、4.1％、4.19％、4.32％、4.4％、4.5％等；

Fe：0.15％-0.25％，例如可以为0.15％、0.16％、0.17％、0.18％、0.199％、0.206％、0.22％、0.23％、0.24％、0.25％等；

C：≤0.03％，例如可以为0.001％、0.005％、0.008％、0.01％、0.015％、0.019％、0.02％、0.025％、0.03％等；

N：≤0.05％，例如可以为0.001％、0.005％、0.008％、0.009％、0.01％、0.015％、0.02％、0.025％、0.03％、0.035％、0.04％、0.045％、0.05％等；

O：0.08％-0.20％，例如可以为0.08％、0.09％、0.1％、0.11％、0.12％、0.13％、0.14％、0.15％、0.16％、0.17％、0.18％、0.19％、0.2％等；

H：≤0.008％，例如可以为0.001％、0.002％、0.003％、0.004％、0.005％、0.006、0.007％、0.008％等；

余量为钛和不可避免的杂质。

本发明中，所述生物用超声刀专用TC4钛合金丝材的室温拉伸性能，数据相对较集中。抗拉强度1050-1100MPa，屈服强度950-980MPa，符合GB/T13810-2017标准要求。

本发明中，所述生物用超声刀专用TC4钛合金丝材的弹性模量≥130GPa，泊松比≥0.33，检测方法按照GB/T 22315-2008标准。

本发明的第二个方面是提供一种本发明第一个方面所述的生物用超声刀专用TC4钛合金丝材的生产方法，包括以下步骤：

(1)熔炼铸锭：取纯钛原料，按照本发明第一个方面所述的生物用超声刀专用TC4钛合金丝材的成分配料，压制成电极，熔炼成铸锭；

(2)开坯锻造：表面扒皮，去除冒口、冒底。铸锭经电炉加热至β相变点以上保温280-320min后进行锻造，表面缺陷修磨；

(3)热轧制：将修磨合格的坯料加热至α+β两相区保温80-100min后，进行热轧制成棒料；切断、表面缺陷修磨；将修磨合格的棒料加热再次加热至α+β两相区保温50-70min后，进行热轧；

(4)热拉拔：将步骤(3)得到的棒坯加热至钛合金相变点以下80-100℃，采用多模次少变形量方式进行热拉拔，每模次变形量控制在8％-12％，拉拔速度控制在1.5-1.8m/min；

(5)大气炉退火，退火温度为710-730℃，保温时间为50-60min；校直；

(6)磨光至成品要求尺寸；

(7)成品热处理：在真空状态下进行退火，退火温度为650-680℃，保温时间为80-100min。

优选地，步骤(1)中，纯钛原料为GB/T 2524-2010标准规定的1级以上海绵钛。

优选地，步骤(1)中，步骤(1)中，成分配料采用中间合金，所述中间合金采用Al58V合金。

优选地，步骤(1)中，采用真空自耗电弧炉三次熔炼成铸锭。

其中，步骤(1)中，铸锭大小本领域技术人员可根据成品尺寸、后续工序等实际情况进行合理配置，本发明对此不作特别限定。在本发明一个优选的实施方式中，铸锭直径350-700mm，例如可以为350mm、380mm、400mm、420mm、450mm、480mm、500mm、520mm、550mm、580mm、600mm、620mm、640mm、650mm、670mm、700mm等。

优选地，步骤(2)中，锻造具体操作为：铸锭经电炉加热至β相变点以上保温280-320min，完全烧透后，在3000-4500吨压机大压力、多向锻造，变形至所需方坯。

其中，步骤(2)中，锻造后胚料的大小，本领域技术人员可根据成品尺寸等实际情况进行合理配置，本发明对此不作特别限定。

其中，步骤(3)中，经两次热轧制后得到的棒坯大小本领域技术人员可根据成品尺寸、后续工序等实际情况进行合理配置，本发明对此不作特别限定。在本发明一个优选的实施方式中，步骤(3)中，经两次热轧制后，步骤(3)得到的棒坯规格为成品规格+(1-10)mm(此处规格是指直径大小)。

其中，步骤(3)中，经第一次热轧制后得到的棒坯的大小领域技术人员也同样可根据成品尺寸、后续工序等实际情况进行合理配置，本发明对此不作特别限定。在本发明一个优选的实施方式中，步骤(3)中，第一次热轧制后棒材规格为成品规格的4-20倍(此处规格是指直径大小)。

其中，步骤(4)中，经热拉拔得到的棒坯大小本领域技术人员可根据成品尺寸、后续工序等实际情况进行合理配置，本发明对此不作特别限定。在本发明一个优选的实施方式中，步骤(4)中，经热拉拔得到的棒坯规格为成品规格+(0.3-1)mm(此处规格是指直径大小)。

优选地，步骤(5)中，校直方法采用冷校直。

优选地，步骤(7)的成品热处理采用真空热处理炉进行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过对材料的化学成分和加工方法等方面进行优化，采用特有的成分配方和加工工艺得到一种生物用超声刀专用TC4钛合金丝材，该材料性能稳定、强度、塑性匹配性良好，满足超声刀特殊用途要求，将其制成超声刀刀头，其工作性能是目前其它金属材料无法取代的，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步的说明，以更好地理解本发明。

实施例1-2

实验材料选用“0级”海绵钛为原料，纯Al豆和Al85V颗粒为合金元素，按照本发明要求的合金成分配料，压制电极，经真空自耗电弧炉三次熔炼成Φ500mm铸锭。实施例1-2的钛合金铸锭的化学成分分析见表1，余量为Ti和不可避免的杂质。符合外科植入物用钛及钛合金加工材GB/T13810-2017标准，成分均匀。

表1 TC4铸锭化学成分(以质量百分数，％)

用金相法测其(α+β/β)相变点为980℃。铸锭经超声探伤后，表面扒皮，锯切帽底、帽口。然后铸锭经电炉加热至β相变点以上保温300min，完全烧透后，在3000-4500吨压机大压力、多向锻造，变形至所需方坯。

将方坯修磨干净，然后将方坯在电阻炉加热(α+β两相区保温90min)，热轧至Φ55mm，切断、修理表面缺陷，再将方坯在电阻炉加热(α+β两相区保温60min)，热轧至Φ9.5^+0.3mm棒坯。

上述棒坯经电炉加热至钛合金相变点以下80-100℃，经多模拉至Φ5.5mm，道次变形率控制在8％-12％，拉拔速度控制在1.5-1.8m/min。

拉拔后的坯料经裁断后，采用大气炉进行退火，退火温度为720^±10℃，保温时间为60min，并用斜辊校直机上进行，校直采用冷校直，直线度不大于0.2mm/m。

在无心磨床上进行磨光，磨削至丝材成品要求尺寸Φ5.0mm。

所述得棒材成品在真空状态下进行退火，采用真空热处理炉进行，避免材料表面污染和有害气体杂质的增加，退火温度为650-680℃，保温时间为90min。

丝材力学性能检测见表2，室温拉伸性能检测结果符合GB/T 13810-2017标准要求，数据相对较集中，抗拉强度1050-1100MPa，屈服强度950-980MPa，符合GB/T13810-2017标准要求。弹性模量、泊松比指标符合超声刀用材料技术要求，其中，弹性模量、泊松比指标检测方法按照GB/T 22315-2008标准。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims

1.一种生物用超声刀专用TC4钛合金丝材，其特征在于，以质量百分数计，含有Al：5.5％-6.5％，V：3.5％-4.5％，Fe：0.15％-0.25％，C：≤0.03％，N：≤0.05％，O：0.08％-0.20％，H：≤0.008％，余量为钛和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的生物用超声刀专用TC4钛合金丝材，其特征在于，其室温拉伸性能为：抗拉强度1050-1100MPa，屈服强度950-980MPa，数据相对较集中，符合GB/T13810-2017标准要求；而且其弹性模量≥130GPa，泊松比≥0.33，检测方法按照GB/T 22315-2008标准。

3.一种如权利要求1或2所述的生物用超声刀专用TC4钛合金丝材的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)熔炼铸锭：取纯钛原料，按照权利要求1或2所述生物用超声刀专用TC4钛合金丝材的成分配料，压制成电极，熔炼成铸锭；

(6)磨光至成品要求尺寸；

4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，步骤(1)中，纯钛原料为GB/T 2524-2010标准规定的1级以上海绵钛。

5.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，步骤(1)中，成分配料采用中间合金，所述中间合金采用Al58V合金。

6.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，步骤(1)中，采用真空自耗电弧炉三次熔炼成铸锭。

7.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，步骤(2)中，锻造具体操作为：铸锭经电炉加热至β相变点以上保温280-320min，完全烧透后，在3000-4500吨压机大压力、多向锻造，变形至所需方坯。

8.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，步骤(5)中，校直方法采用冷校直。

9.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，步骤(7)的成品热处理采用真空热处理炉进行。