CN112962040A - 一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，首先选择符合GB/T13810‑2007标准的钛合金铸锭作为坯料；将坯料进行开坯锻造，制得直径为50～100mm的钛合金锻棒；然后将钛合金锻棒进行多道次轧制，制得钛合金棒材；再将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备中，在其两端施加拉力，然后通入直流电流，对其进行电‑力耦合快速处理；当钛合金棒材的温度达到500～900℃后进行保温处理；最后将保温后的钛合金棒材在空气中冷却至室温，消除两端施加的拉力，得到高强医用钛合金棒材。本发明一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，解决了现有技术中存在的医用钛合金塑性、强度难控的问题。

Description

一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法
技术领域
本发明涉及钛合金热处理技术领域，具体涉及一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法。
背景技术
钛合金具有强度高、密度低、耐腐蚀以及生物相容性好等优良特性，广泛用于航空航天及医疗领域。高强医用钛合金(Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb)属于(α+β)钛合金，具有优异的综合力学性能，弹性模量为100～110GPa，约为Co-Cr-Mo合金的一半，是植入锥弓根微螺钉和种植牙钉用主要原材料之一。
目前，钛合金棒材通过轧制变形将晶粒细化，使其强度得到明显提升，但是其塑性较差，残余应力较高，直接商业应用会受到很大的限制。传统高温退火是消除残余应力的有效方法，然而变形诱发的大量位错导致后续热处理时晶界易失稳长大，同时合金强度大幅度降低。
因此，有必要开发一种新型热处理工艺来解决医用钛合金高强度-高塑性匹配差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，解决了现有技术中存在的医用钛合金塑性、强度难控的问题。
本发明所采用的技术方案是一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，选择符合GB/T13810-2007标准的钛合金铸锭作为坯料，备用；
步骤2、将坯料进行开坯锻造，制得直径为50～100mm的钛合金锻棒，备用；
步骤3、将钛合金锻棒进行多道次轧制，制得直径为10mm的钛合金棒材，备用；
步骤4、将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备中，在其两端施加拉力500～1000N，然后通入50～500A/mm2的直流电流，对其进行电-力耦合快速处理；
步骤5、当钛合金棒材的温度加热至500～900℃后进行保温处理；
步骤6、将保温后的钛合金棒材在空气中冷却至室温，消除两端施加的拉力，得到高强医用钛合金棒材。
本发明的特点还在于：
步骤4中，电-力耦合快速处理过程中钛合金棒材的升温速率为10～50℃/s。
步骤4中，电-力耦合快速处理后的钛合金棒材的直线度为1mm/m。
步骤5中，保温时间≤100s。
钛合金棒材的长度为1000～2000mm。
本发明的有益效果是：
本发明一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，用于改善医用钛合金的强度和塑性，同时降低钛合金中位错诱发的局部残余应力；本发明一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，采用多场耦合热处理设备通过快速电致细晶化效应，使钛合金组织处于回复和再结晶的过渡阶段，实现了轧制合金强度和塑性的协同改善，此外，本发明的能量消耗降至传统热处理工艺的20％左右，实现了节能环保的目的。
附图说明
图1是实施例1制备的高强医用钛合金棒材组织中晶界分布图；
图2是实施例2制备的高强医用钛合金棒材组织中晶界分布图；
图3是实施例3制备的高强医用钛合金棒材组织中晶界分布图；
图4是实施例4制备的高强医用钛合金棒材组织中晶界分布图；
图5是实施例5制备的高强医用钛合金棒材组织中晶界分布图；
图6是实施例1～5制备的钛合金棒材快速热处理后的力学性能图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提出了一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，选择符合GB/T13810-2007标准的钛合金铸锭作为坯料，备用；
步骤2、将坯料进行开坯锻造，制得直径为50～100mm的钛合金锻棒，备用；
步骤3、将钛合金锻棒进行多道次轧制，制得直径为10mm的钛合金棒材，备用；钛合金棒材的长度为1000～2000mm；
步骤4、将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备中，在其两端施加拉力500～1000N，然后通入50～500A/mm2的直流电流，对其进行电-力耦合快速处理；其中，钛合金棒材的升温速率为10～50℃/s；电-力耦合快速处理后的钛合金棒材的直线度为1mm/m；多场耦合热处理设备(申请号为201620773660.8，发明名称为《用于Ti-6Al-4V合金丝材快速热处理的机械控制设备》)采用激光测温仪测温；在保证变形晶粒细化的同时缩小高温保温时间，抑制晶粒长大，改善钛合金的强度和塑性。
步骤5、当钛合金棒材的温度加热至500～900℃后进行保温处理；其中，保温时间≤100s；具体为在电流焦耳热效应和散热达到平衡，且温度显示稳定后进行短时间保温。
步骤6、将保温后的钛合金棒材在空气中冷却至室温，消除两端施加的拉力，得到高强医用钛合金棒材。在拉力的辅助下通过空冷保证较慢的冷却速度，促使二次α相在β基体析出，从而进一步提高钛合金强度，保证其高强度。
本发明在拉力为1000N和电流为90～230A/mm2条件下，制备的钛合金平均晶粒尺寸为0.7～0.85μm，抗拉强度高于1000MPa，延伸率高于13％，面积收缩率高于50％，且远高于美国医用钛合金标准(抗拉强度860MPa和延伸率10％)，本发明通过电流的焦耳热和电子风效应实现钛合金晶粒细化和局部相取向调控，制备的钛合金具有优异的高强-高塑性。
实施例1
本发明提出了一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将TC4钛合金铸锭进行开坯锻造，制得钛合金锻棒，备用；
步骤2、将钛合金锻棒进行多道次轧制，制得直径为10mm，长度为1000mm的钛合金棒材，备用；
步骤3、对钛合金棒材表面进行氧化层、杂质和油污的清除，备用；
步骤4、将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备中，在其两端施加外拉力550N，然后通入90A/mm2的直流电流，对其进行电-力耦合快速处理；
步骤5、当钛合金棒材的温度加热至600℃后进行保温，保温时间为1min；
步骤6、将保温后的钛合金棒材在空气中冷却至室温，消除两端施加的拉力，得到高强医用钛合金棒材。
实施例2
本发明提出了一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将TC4钛合金铸锭进行开坯锻造，制得钛合金锻棒，备用；
步骤2、将钛合金锻棒进行多道次轧制，制得直径为10mm，长度为2000mm的钛合金棒材，备用；
步骤3、对钛合金棒材表面进行氧化层、杂质和油污的清除，备用；
步骤4、将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备中，在其两端施加外拉力1000N，然后通入120A/mm2的直流电流，对其进行电-力耦合快速处理；
步骤5、当钛合金棒材的温度加热至650℃后进行保温，保温时间为1min；
步骤6、将保温后的钛合金棒材在空气中冷却至室温，消除两端施加的拉力，得到高强医用钛合金棒材。
实施例3
本发明提出了一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将TC4钛合金铸锭进行开坯锻造，制得钛合金锻棒，备用；
步骤2、将钛合金锻棒进行多道次轧制，制得直径为10mm，长度为2000mm的钛合金棒材，备用；
步骤3、对钛合金棒材表面进行氧化层、杂质和油污的清除，备用；
步骤4、将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备中，在其两端施加外拉力1000N，然后通入160A/mm2的直流电流，对其进行电-力耦合快速处理；
步骤5、当钛合金棒材的温度加热至700℃后进行保温，保温时间为1min；
步骤6、将保温后的钛合金棒材在空气中冷却至室温，消除两端施加的拉力，得到高强医用钛合金棒材。
实施例4
本发明提出了一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将TC4钛合金铸锭进行开坯锻造，制得钛合金锻棒，备用；
步骤2、将钛合金锻棒进行多道次轧制，制得直径为10mm，长度为2000mm的钛合金棒材，备用；
步骤3、对钛合金棒材表面进行氧化层、杂质和油污的清除，备用；
步骤4、将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备中，在其两端施加外拉力1000N，然后通入200A/mm2的直流电流，对其进行电-力耦合快速处理；
步骤5、当钛合金棒材的温度加热至750℃后进行保温，保温时间为1min；
步骤6、将保温后的钛合金棒材在空气中冷却至室温，消除两端施加的拉力，得到高强医用钛合金棒材。
实施例5
本发明提出了一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将TC4钛合金铸锭进行开坯锻造，制得钛合金锻棒，备用；
步骤2、将钛合金锻棒进行多道次轧制，制得直径为10mm，长度为1000mm的钛合金棒材，备用；
步骤3、对钛合金棒材表面进行氧化层、杂质和油污的清除，备用；
步骤4、将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备中，在其两端施加外拉力1000N，然后通入230A/mm2的直流电流，对其进行电-力耦合快速处理；
步骤5、当钛合金棒材的温度加热至800℃后进行保温，保温时间为1min；
步骤6、将保温后的钛合金棒材在空气中冷却至室温，消除两端施加的拉力，得到高强医用钛合金棒材。
图1为实施例1制备的高强医用钛合金棒材组织中晶界分布图，黑色线所示为小角度晶界，其中大量亚晶界的存在能够协同改善合金的强度和塑性。依照GB/T228.1-2010标准要求，测得的合金力学性能如图6所示：抗拉强度σUTS为1062.6MPa，屈服强度σy为979.1MPa，断裂延伸率εT为14.8％，断面收缩率为53.9％，所以本实施例1制备的钛合金具有优异的强度及塑性，远高于美国医用钛合金标准(抗拉强度860MPa和延伸率10％)。
图2为实施例2制备的高强医用钛合金棒材组织中晶界分布图，黑色线所示为小角度晶界，其中大量亚晶界的存在能够协同改善合金的强度和塑性。依照GB/T228.1-2010标准要求，测得的合金力学性能如图6所示：抗拉强度σUTS为1105.6MPa，屈服强度σy为1042.1MPa，断裂延伸率εT为13.5％，断面收缩率为51.7％，所以本实施例2制备的钛合金具有优异的强度及塑性，远高于美国医用钛合金标准(抗拉强度860MPa和延伸率10％)。
图3为实施例3制备的高强医用钛合金棒材组织中晶界分布图，黑色线所示为小角度晶界，其中大量亚晶界的存在能够协同改善合金的强度和塑性。依照GB/T228.1-2010标准要求，测得的合金力学性能如图6所示：抗拉强度σUTS为1084.0MPa，屈服强度σy为1012.9MPa，断裂延伸率εT为13.2％，断面收缩率为51.2％，所以本实施例3制备的钛合金具有优异的强度及塑性，远高于美国医用钛合金标准(抗拉强度860MPa和延伸率10％)。
图4为实施例4制备的高强医用钛合金棒材组织中晶界分布图，黑色线所示为小角度晶界，其中大量亚晶界的存在能够协同改善合金的强度和塑性。依照GB/T228.1-2010标准要求，测得的合金力学性能如图6所示：抗拉强度σUTS为1056.0MPa，屈服强度σy为982.5MPa，断裂延伸率εT为15.2％，断面收缩率为51.1％，所以本实施例4制备的钛合金具有优异的强度及塑性，远高于美国医用钛合金标准(抗拉强度860MPa和延伸率10％)。
图5为实施例5制备的高强医用钛合金棒材组织中晶界分布图，黑色线所示为小角度晶界，其中大量亚晶界的存在能够协同改善合金的强度和塑性。依照GB/T228.1-2010标准要求，测得的合金力学性能如图6所示：抗拉强度σUTS为1024.2MPa，屈服强度σy为923.3MPa，断裂延伸率εT为15.7％，断面收缩率为53.3％，所以本实施例5制备的钛合金具有优异的强度及塑性，远高于美国医用钛合金标准(抗拉强度860MPa和延伸率10％)。
本发明一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，其优点在于：
以传统轧制棒材为研究对象，在上述钛合金中通直流电进行快速热处理，最终在钛合金中快速形成细小晶粒和大量亚晶界，用于协同改善合金的强度和塑性。本发明解决了目前钛合金阳热处理过程中普遍采用电阻间接加热、脉冲电流直接加热、真空退火加热等操作复杂的问题，同时探索的快速热处理工艺制备的合金力学性能明显优于目前普遍使用的退火工艺获得的合金的力学性能，本发明一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，环保简单，缩短了医用钛合金的热处理时间，可批量化用于工业生产。

Claims (5)

1.一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，选择符合GB/T13810-2007标准的钛合金铸锭作为坯料，备用；
步骤2、将所述坯料进行开坯锻造，制得直径为50～100mm的钛合金锻棒，备用；
步骤3、将所述钛合金锻棒进行多道次轧制，制得直径为10mm的钛合金棒材，备用；
步骤4、将所述钛合金棒材放入多场耦合热处理设备中，在其两端施加拉力500～1000N，然后通入50～500A/mm2的直流电流，对其进行电-力耦合快速处理；
步骤5、当钛合金棒材的温度加热至500～900℃后进行保温处理；
步骤6、将保温后的所述钛合金棒材在空气中冷却至室温，消除两端施加的拉力，得到所述高强医用钛合金棒材。
2.根据权利要求1所述的一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，其特征在于，步骤4中，电-力耦合快速处理过程中钛合金棒材的升温速率为10～50℃/s。
3.根据权利要求1所述的一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，其特征在于，步骤4中，所述电-力耦合快速处理后的钛合金棒材的直线度为1mm/m。
4.根据权利要求1所述的一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，其特征在于，步骤5中，保温时间≤100s。
5.根据权利要求1所述的一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法，其特征在于，所述钛合金棒材的长度为1000～2000mm。
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