CN113061823A - 一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法 - Google Patents
一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113061823A CN113061823A CN202110315019.5A CN202110315019A CN113061823A CN 113061823 A CN113061823 A CN 113061823A CN 202110315019 A CN202110315019 A CN 202110315019A CN 113061823 A CN113061823 A CN 113061823A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- titanium alloy
- bar
- residual stress
- heat treatment
- alloy bar
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
- C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
- C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Forging (AREA)
Abstract
本发明公开了一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法，选取轧制钛合金棒材，对钛合金棒材表面的氧化层、杂质和油污进行清除；将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备，采用s型热电偶对其温度进行测量，并对钛合金棒材进行电‑力快速耦合处理；当钛合金棒材的温度达到850℃或900℃时进行保温处理；将钛合金棒材降温至550℃～650℃，然后空冷至室温，获得消除残余应力的钛合金棒材。本发明一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法，解决了现有技术中存在的医用钛合金螺钉残余应力大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金热处理技术领域，涉及一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法。
背景技术
钛合金具有强度高、结合密度低和耐腐蚀等特点，被广泛应用于医疗器械行业，Ti-6Al-4V合金是一种重要的种植骨U型螺钉材料，但是在工业上应用时其具有很高的残余应力，这可能导致U型螺钉出现颈缩现象(>0.05mm)，从而降低其商业应用价值。目前，采用高温退火虽然可以减小或消除残余应力，但是会导致晶粒粗化，降低材料本身强度。
因此，急需设计一种快速热处理技术来调控医用钛合金螺钉用Ti-6Al-4V合金棒材的残余应力。
发明内容
本发明的目的是提供一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法，解决了现有技术中存在的医用钛合金螺钉残余应力大的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，选取轧制钛合金棒材，对钛合金棒材表面的氧化层、杂质和油污进行清除，备用；
步骤2，将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备，采用s型热电偶对其温度进行测量，并对钛合金棒材进行电-力快速耦合处理；
步骤3，当钛合金棒材的温度达到850℃或900℃时进行保温处理；
步骤4，将钛合金棒材降温至550℃～650℃，然后空冷至室温，获得消除残余应力的钛合金棒材。
本发明的特点还在于：
钛合金棒材为Ti-6Al-4V棒材。
步骤1中，钛合金棒材的直径为10mm，沿其轧制方向的长度为12mm。
步骤2具体为：
在多场耦合热处理设备的模具顶部和底部施加5～50MPa的压应力，再通入200～500A/cm2的直流电。
钛合金棒材的升温速率为10～40℃/s。
电-力快速耦合处理后的钛合金棒材的直线度1mm/m。
步骤3中，保温处理的时间不大于100s。
本发明的有益效果是：
本发明一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法，采用多场耦合热处理设备通过快速电致细晶化效应，控制位错的迁移率，调控α相的再结晶和残余应力的变化，在晶粒不发生粗化的前提下消除棒材的残余应力。
附图说明
图1是实施例1～5制备钛合金棒材沿X轴的残余应力图；
图2是实施例1～5制备钛合金棒材沿Y轴的残余应力图；
图3是实施例1制备Ti-6Al-4V棒材在放大倍数为10000下的扫描电镜图；
图4是实施例2制备Ti-6Al-4V棒材在放大倍数为10000下的扫描电镜图；
图5是实施例3制备Ti-6Al-4V棒材在放大倍数为10000下的扫描电镜图；
图6是实施例3制备Ti-6Al-4V棒材在放大倍数为40000下的扫描电镜图；
图7是实施例4制备Ti-6Al-4V棒材在放大倍数为10000下的扫描电镜图；
图8是实施例4制备Ti-6Al-4V棒材在放大倍数为40000下的扫描电镜图。
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。
本发明提供的一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，选取轧制钛合金棒材，对钛合金棒材表面的氧化层、杂质和油污进行清除，备用；
其中，钛合金棒材为Ti-6Al-4V棒材；钛合金棒材的直径为10mm，沿其轧制方向的长度为12mm；
步骤2，将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备，采用s型热电偶对其温度进行测量，并对钛合金棒材进行电-力快速耦合处理；
具体为：
在多场耦合热处理设备的模具顶部和底部施加5～50MPa的压应力，再通入200～500A/cm2的直流电；其中，钛合金棒材的升温速率为10～40℃/s；电-力快速耦合处理后的钛合金棒材的直线度1mm/m；
多场耦合热处理设备(参见申请号为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，在保证晶粒细化的同时减小钛合金棒材的残余应力；
步骤3，当钛合金棒材的温度达到850℃或900℃时进行保温处理；
其中，保温时间不大于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处理；
步骤4，将钛合金棒材降温至550℃～650℃，然后空冷至室温，获得消除残余应力的钛合金棒材。
本发明在压力为10MPa和电流为200～500A/cm2的前提下，将钛合金棒材的残余应力降低为0，空冷保证较慢的冷却速率，促使细的二次α相在β基体上析出，亚晶粒(<5mm)在高畸变能的α相中再结晶而形成，同时提高Ti-6Al-4V合金强度。
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位错密度调控，在保证晶粒不发生粗化的同时消除残余应力。
实施例1
本发明一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，选取直径为10mm的轧制Ti-6Al-4V棒材，沿其轧制方向的长度为12mm；对钛合金棒材表面的氧化层、杂质和油污进行清除，备用；
步骤2，将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备，采用s型热电偶对其温度进行测量，并对钛合金棒材进行电-力快速耦合处理；
具体为：
在多场耦合热处理设备的模具顶部和底部施加5MPa的压应力，用来固定试样，再通入200A/cm2的直流电；其中，钛合金棒材的升温速率为10～40℃/s；电-力快速耦合处理后的钛合金棒材的直线度1mm/m；
多场耦合热处理设备(参见申请号为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，在保证晶粒细化的同时减小钛合金棒材的残余应力；
步骤3，当钛合金棒材的温度达到850℃时进行保温处理，保温时间为50s；
步骤4，将钛合金棒材降温至550℃，然后空冷至室温，获得消除残余应力的钛合金棒材。如图3所示。
实施例2
本发明一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，选取直径为10mm的轧制Ti-6Al-4V棒材，沿其轧制方向的长度为12mm；对钛合金棒材表面的氧化层、杂质和油污进行清除，备用；
步骤2，将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备，采用s型热电偶对其温度进行测量，并对钛合金棒材进行电-力快速耦合处理；
具体为：
在多场耦合热处理设备的模具顶部和底部施加50MPa的压应力，用来固定试样，再通入500A/cm2的直流电；其中，钛合金棒材的升温速率为10～40℃/s；电-力快速耦合处理后的钛合金棒材的直线度1mm/m；
多场耦合热处理设备(参见申请号为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，在保证晶粒细化的同时减小钛合金棒材的残余应力；
步骤3，当钛合金棒材的温度达到850℃时进行保温处理，保温时间为100s；
步骤4，将钛合金棒材降温至650℃，然后空冷至室温，获得消除残余应力的钛合金棒材。如图4所示。
实施例3
本发明一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，选取直径为10mm的轧制Ti-6Al-4V棒材，沿其轧制方向的长度为12mm；对钛合金棒材表面的氧化层、杂质和油污进行清除，备用；
步骤2，将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备，采用s型热电偶对其温度进行测量，并对钛合金棒材进行电-力快速耦合处理；
具体为：
在多场耦合热处理设备的模具顶部和底部施加25MPa的压应力，用来固定试样，再通入252A/cm2的直流电；其中，钛合金棒材的升温速率为10～40℃/s；电-力快速耦合处理后的钛合金棒材的直线度1mm/m；
多场耦合热处理设备(参见申请号为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，在保证晶粒细化的同时减小钛合金棒材的残余应力；
步骤3，当钛合金棒材的温度达到900℃时进行保温处理，保温时间为50s；
步骤4，将钛合金棒材降温至600℃，然后空冷至室温，获得消除残余应力的钛合金棒材。如图5、6所示。
实施例4
本发明一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，选取直径为10mm的轧制Ti-6Al-4V棒材，沿其轧制方向的长度为12mm；对钛合金棒材表面的氧化层、杂质和油污进行清除，备用；
步骤2，将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备，采用s型热电偶对其温度进行测量，并对钛合金棒材进行电-力快速耦合处理；
具体为：
在多场耦合热处理设备的模具顶部和底部施加10MPa的压应力，用来固定试样，再通入252A/cm2的直流电；其中，钛合金棒材的升温速率为10～40℃/s；电-力快速耦合处理后的钛合金棒材的直线度1mm/m；
多场耦合热处理设备(参见申请号为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，在保证晶粒细化的同时减小钛合金棒材的残余应力；
步骤3，当钛合金棒材的温度达到900℃时进行保温处理，保温时间为50s；
步骤4，将钛合金棒材降温至600℃，然后空冷至室温，获得消除残余应力的钛合金棒材。如图7、8所示。
实施例5
常规制备钛合金棒材的方法为：
选取直径为10mm的轧制Ti-6Al-4V棒材，沿其轧制方向的长度为12mm；对钛合金棒材表面的氧化层、杂质和油污进行清除，备用；直接测试Ti-6Al-4V棒材的残余应力。
图1、2是实施例1～5制备Ti-6Al-4V棒材的残余应力图，本发明电-力快速耦合处理的温度为850或900℃，保温时间为30s时，Ti-6Al-4V棒材的残余应力为0。
图3是实施例1制备Ti-6Al-4V棒材的显微结构图，电-力快速耦合处理通过控制位错的迁移率和重排来控制α相的再结晶和残余应力的变化，在保证基体强度的同时减小或消除残余应力。测得Ti-6Al-4V棒材中心残余应力分布如图1、2所示，沿X轴的残余应力为-58.7MPa，沿Y轴的残余应力为-47.6MPa。
图4是实施例2制备Ti-6Al-4V棒材的显微结构图，电-力快速耦合处理通过控制位错的迁移率和重排来控制α相的再结晶和残余应力的变化，在保证基体强度的同时减小或消除残余应力。测得Ti-6Al-4V棒材中心残余应力分布如图1、2所示，沿X轴的残余应力为-278.7MPa，沿Y轴的残余应力为-156.5MPa。
图5、6是实施例3制备Ti-6Al-4V棒材的显微结构图，电-力快速耦合处理通过控制位错的迁移率和重排来控制α相的再结晶和残余应力的变化，在保证基体强度的同时减小或消除残余应力。测得Ti-6Al-4V棒材中心残余应力分布如图1、2所示，沿X轴的残余应力为-21MPa，沿Y轴的残余应力为-28.3MPa。
图7、8是实施例4制备Ti-6Al-4V棒材的显微结构图，电-力快速耦合处理通过控制位错的迁移率和重排来控制α相的再结晶和残余应力的变化，在保证基体强度的同时减小或消除残余应力。测得Ti-6Al-4V棒材中心残余应力分布如图1、2所示，沿X轴的残余应力为-402MPa，沿Y轴的残余应力为-402MPa。
实施例5制备Ti-6Al-4V棒材的沿X轴的残余应力为120.6MPa，沿Y轴的残余应力为100.2MPa。说明本发明制备的钛合金棒材消除了残余应力。
本发明一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法，其优点在于：
以轧制态Ti-6Al-4V棒材为研究对象，给其棒材两端施加载荷，利用直流电进行快速热处理，最终在合金棒材中可快速形成细小的二次α晶粒，并消除残余应力，改善了合金强度、塑性的同时解决了合金棒材后续加工U形螺钉残余应力导致颈缩的问题；由于钛合金较高的电阻率和较低的导热系数，相比于传统的高温退火，通过短时间通电，合金残余应力可以快速释放且不会出现明显的晶粒粗化。此外，本发明制备的合金棒材性能远远高于传统热处理，可批量用于工业化生产。
Claims (7)
1.一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，选取轧制钛合金棒材，对所述钛合金棒材表面的氧化层、杂质和油污进行清除，备用；
步骤2，将钛合金棒材放入多场耦合热处理设备，采用s型热电偶对其温度进行测量，并对钛合金棒材进行电-力快速耦合处理；
步骤3，当钛合金棒材的温度达到850℃或900℃时进行保温处理；
步骤4，将所述钛合金棒材降温至550℃～650℃，然后空冷至室温，获得消除残余应力的钛合金棒材。
2.根据权利要求1所述的一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法，其特征在于，所述钛合金棒材为Ti-6Al-4V棒材。
3.根据权利要求1所述的一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法，其特征在于，步骤1中，所述钛合金棒材的直径为10mm，沿其轧制方向的长度为12mm。
4.根据权利要求1所述的一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法，其特征在于，步骤2具体为：
在所述多场耦合热处理设备的模具顶部和底部施加5～50MPa的压应力，再通入200～500A/cm2的直流电。
5.根据权利要求4所述的一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法，其特征在于，所述钛合金棒材的升温速率为10～40℃/s。
6.根据权利要求1所述的一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法，其特征在于，电-力快速耦合处理后的钛合金棒材的直线度1mm/m。
7.根据权利要求1所述的一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法，其特征在于，步骤3中，保温处理的时间不大于100s。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110315019.5A CN113061823A (zh) | 2021-03-24 | 2021-03-24 | 一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110315019.5A CN113061823A (zh) | 2021-03-24 | 2021-03-24 | 一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113061823A true CN113061823A (zh) | 2021-07-02 |
Family
ID=76561629
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110315019.5A Pending CN113061823A (zh) | 2021-03-24 | 2021-03-24 | 一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113061823A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060234800A1 (en) * | 2005-03-30 | 2006-10-19 | Honda Motor Co., Ltd. | Titanium alloy bolt and its manufacturing process |
| WO2012169305A1 (ja) * | 2011-06-07 | 2012-12-13 | 日本発條株式会社 | チタン合金部材およびその製造方法 |
| CN205821415U (zh) * | 2016-07-21 | 2016-12-21 | 西安理工大学 | 用于Ti‑6Al‑4V合金丝材快速热处理的机械控制设备 |
| CN106825102A (zh) * | 2017-01-20 | 2017-06-13 | 大连盛辉钛业有限公司 | 一种提高tc4医用u型钉缩口尺寸稳定性的方法 |
| CN111534715A (zh) * | 2020-04-23 | 2020-08-14 | 中国科学院金属研究所 | 一种万向复位螺钉座钛合金棒材的制备方法 |
-
2021
- 2021-03-24 CN CN202110315019.5A patent/CN113061823A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060234800A1 (en) * | 2005-03-30 | 2006-10-19 | Honda Motor Co., Ltd. | Titanium alloy bolt and its manufacturing process |
| WO2012169305A1 (ja) * | 2011-06-07 | 2012-12-13 | 日本発條株式会社 | チタン合金部材およびその製造方法 |
| CN205821415U (zh) * | 2016-07-21 | 2016-12-21 | 西安理工大学 | 用于Ti‑6Al‑4V合金丝材快速热处理的机械控制设备 |
| CN106825102A (zh) * | 2017-01-20 | 2017-06-13 | 大连盛辉钛业有限公司 | 一种提高tc4医用u型钉缩口尺寸稳定性的方法 |
| CN111534715A (zh) * | 2020-04-23 | 2020-08-14 | 中国科学院金属研究所 | 一种万向复位螺钉座钛合金棒材的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 王凯旋等: "微螺钉用细晶两相钛合金韧化因素及研究现状", 《中国材料进展》 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhao et al. | Fast recrystallization and phase transformation in ECAP deformed Ti–6Al–4V alloy induced by pulsed electric current | |
| KR102045101B1 (ko) | α+β형 Ti 합금 및 그 제조 방법 | |
| CN104532057B (zh) | 一种Ti6242钛合金及其小规格棒材的制备方法 | |
| Peng et al. | Effect of processing parameters on hot deformation behavior and microstructural evolution during hot compression of as-cast Ti60 titanium alloy | |
| CN114657417B (zh) | 一种适合冷变形加工的高强塑性钛合金及其制备方法 | |
| CN102994920A (zh) | 铜及铜合金高低温复合降阻处理方法 | |
| Xie et al. | Electroplastic effect in AZ31B magnesium alloy sheet through uniaxial tensile tests | |
| CN104874604A (zh) | 宽幅钛合金厚板轧制方法 | |
| CN110088313A (zh) | α+β型钛合金挤出型材 | |
| Ma et al. | Influence of solution and aging on the microstructures and mechanical properties of complex deformed WE93 alloy | |
| JP2019167621A (ja) | α＋β型チタン合金押出形材 | |
| JPWO2019073754A1 (ja) | Ｔｉ−Ｎｉ系合金、これを用いた線材、通電アクチュエータ及び温度センサ並びにＴｉ−Ｎｉ系合金材の製造方法 | |
| CN109652748B (zh) | 一种镁合金中析出相取向的调控方法 | |
| CN105463253B (zh) | 一种低膨胀系数的锆合金及其制备方法 | |
| CN105695910A (zh) | 一种TiAl基合金板材超塑性成形方法 | |
| CN113430474B (zh) | 用于改善钛合金丝材增材制造冶金组织的工艺 | |
| CN113061823A (zh) | 一种调控医用钛合金螺钉用棒材残余应力的热处理方法 | |
| CN113512668A (zh) | 一种含硼形状记忆合金及其制备方法 | |
| CN110551956A (zh) | 一种tc4钛合金的加工方法 | |
| CN105925922B (zh) | 一种CuCrZr合金的制备方法 | |
| CN109136634A (zh) | 一种高性能铜合金材料及其制备方法 | |
| CN112962040A (zh) | 一种高强医用钛合金棒材快速热处理方法 | |
| JP2004052008A (ja) | チタン銅合金材及びその製造方法 | |
| CN111809081A (zh) | 一种高强度高塑性ZrTiAlNb锆基合金及其制备方法 | |
| CN112322930B (zh) | 一种低温超塑性钛合金板、棒材及制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Shao Hui Inventor after: Shan Di Inventor after: Li Ming Inventor after: Zou Juntao Inventor after: Liang Shuhua Inventor after: Zhang Hui Inventor after: Xu Jintao Inventor after: Luo Yanan Inventor before: Li Ming Inventor before: Shao Hui Inventor before: Zhang Hui Inventor before: Xu Jintao Inventor before: Luo Yanan Inventor before: Shan Di Inventor before: Zou Juntao Inventor before: Liang Shuhua |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210702 |