CN113637938B - 一种高性能超声刀及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高性能超声刀及其制备方法，为了提高超声手术刀的疲劳强度，延长疲劳寿命，降低手术风险，本发明先后对超声手术刀衬底材料TC4合金进行气体渗氮处理和液氮深冷处理，研究表明，单独的气体渗氮处理可以提高TC4合金的耐腐蚀性能，但是对疲劳强度的提高不明显，通过渗氮后续的深冷处理，可对TC4合金的疲劳强度产生积极影响，通过选择合适的深冷处理时间，可使超声手术刀的疲劳循环次数提升一个数量级，进而显著延长其疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明涉及医用手术刀领域，具体涉及一种高性能超声刀及其制备方法。
背景技术
超声手术刀是目前外科手术中常用的手术器械，其主要由超声电功率源和超声振动系统两部分组成。超声振动系统又包括超声换能器、聚能器和刀头三部分。超声手术刀主要是利用超声空化和强烈的机械效应进行切割和破坏生物组织。目前，超声手术刀有切割型、抽吸型和去脂型三类。手术过程中，超声振动容易破坏含水量高的细胞组织，而不易损伤含高胶原蛋白的血管、淋巴及神经纤维等，所以超声手术刀具有选择性保留重要组织结构、创伤小、出血少、术野清晰等优点。目前，超声手术刀已经广泛应用于普外科的肝、胆、脾手术、脑外科、胸外科、泌尿外科、妇产科等医疗场景中。
然而，材料在受到交变载荷的作用后，即使应力值没有超过材料的强度极限，但在载荷多次循环作用后会发生疲劳破坏。由于超声手术刀需要55kHz左右的超声频率下工作，短时间内超声手术刀会经历超高周次的载荷循环，进而容易发生疲劳断裂，甚至造成医疗事故。有鉴于此，如何提高超声手术刀的疲劳寿命是当下急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种高性能超声刀及其制备方法，该方法先后对手术刀衬底材料进行气体渗氮和深冷处理，可大大提高超声手术刀具的疲劳寿命。
为实现上述目的，本发明提供的一种高性能超声刀的制备方法包括以下步骤：
A.选用钛合金作为衬底材料，衬底材料通过机械加工去除表面的不规则部分；
B.对衬底材料依次进行打磨、酸洗、除油、清洗并烘干待用；
C.将烘干后的衬底放入气体渗氮炉中，通入氨分解气进行气体渗氮，渗氮时先以10-15℃/min速率将温度升至600-650℃，然后保温8-9h；
D.将渗氮后的衬底放入真空退火炉中进行真空退火，其中退火温度为350-400℃，退火时间2-2.5h，然后随炉冷却至室温；
E.将冷却后的衬底放入-196℃的液氮中进行深冷处理。
进一步地，所述钛合金为TC4合金。
进一步地，所述打磨分别选用400#、800#、1200#精度的砂纸。
进一步地，所述酸洗选用15％的盐酸溶液。
进一步地，所述除油选用20％的碳酸钠溶液。
进一步地，所述清洗选用去离子水，所述烘干在氮气气氛下进行。
进一步地，所述深冷处理时间约5-6.7h。
进一步地，本发明还提供了一种高性能超声刀，所述超声刀由上述方法制备而得。
为了提高超声手术刀的疲劳强度，延长疲劳寿命，降低手术风险，本发明先后对超声手术刀衬底材料TC4合金进行气体渗氮处理和液氮深冷处理，研究表明，单独的气体渗氮处理可以提高TC4合金的耐腐蚀性能，但是对疲劳强度的提高不明显，通过渗氮后续的深冷处理，可对TC4合金的疲劳强度产生积极影响，通过选择合适的深冷处理时间，可使超声手术刀的疲劳循环次数提升一个数量级，进而显著延长其疲劳寿命。
具体实施方式
下面通过具体实施例来验证本发明的技术效果，但是本发明的实施方式不局限于此。
实施例1
A.选用TC4合金作为衬底材料，衬底材料通过机械加工去除表面的不规则部分；
B.对衬底材料依次进行打磨、酸洗、除油、清洗并烘干待用，其中打磨分别选用400#、800#、1200#精度的砂纸，酸洗选用15％的盐酸溶液，除油选用20％的碳酸钠溶液，清洗选用去离子水，烘干在氮气气氛下进行；
C.将烘干后的衬底放入气体渗氮炉中，通入氨分解气进行气体渗氮，渗氮时先以10℃/min速率将温度升至650℃，然后保温8h；
D.将渗氮后的衬底放入真空退火炉中进行真空退火，其中退火温度为400℃，退火时间2h，然后随炉冷却至室温；
E.将冷却后的衬底放入-196℃的液氮中进行深冷处理5h。
实施例2
A.选用TC4合金作为衬底材料，衬底材料通过机械加工去除表面的不规则部分；
B.对衬底材料依次进行打磨、酸洗、除油、清洗并烘干待用，其中打磨分别选用400#、800#、1200#精度的砂纸，酸洗选用15％的盐酸溶液，除油选用20％的碳酸钠溶液，清洗选用去离子水，烘干在氮气气氛下进行；
C.将烘干后的衬底放入气体渗氮炉中，通入氨分解气进行气体渗氮，渗氮时先以10℃/min速率将温度升至650℃，然后保温8h；
D.将渗氮后的衬底放入真空退火炉中进行真空退火，其中退火温度为400℃，退火时间2h，然后随炉冷却至室温；
E.将冷却后的衬底放入-196℃的液氮中进行深冷处理5.3h。
实施例3
A.选用TC4合金作为衬底材料，衬底材料通过机械加工去除表面的不规则部分；
B.对衬底材料依次进行打磨、酸洗、除油、清洗并烘干待用，其中打磨分别选用400#、800#、1200#精度的砂纸，酸洗选用15％的盐酸溶液，除油选用20％的碳酸钠溶液，清洗选用去离子水，烘干在氮气气氛下进行；
C.将烘干后的衬底放入气体渗氮炉中，通入氨分解气进行气体渗氮，渗氮时先以10℃/min速率将温度升至650℃，然后保温8h；
D.将渗氮后的衬底放入真空退火炉中进行真空退火，其中退火温度为400℃，退火时间2h，然后随炉冷却至室温；
E.将冷却后的衬底放入-196℃的液氮中进行深冷处理5.8h。
实施例4
A.选用TC4合金作为衬底材料，衬底材料通过机械加工去除表面的不规则部分；
B.对衬底材料依次进行打磨、酸洗、除油、清洗并烘干待用，其中打磨分别选用400#、800#、1200#精度的砂纸，酸洗选用15％的盐酸溶液，除油选用20％的碳酸钠溶液，清洗选用去离子水，烘干在氮气气氛下进行；
C.将烘干后的衬底放入气体渗氮炉中，通入氨分解气进行气体渗氮，渗氮时先以10℃/min速率将温度升至650℃，然后保温8h；
D.将渗氮后的衬底放入真空退火炉中进行真空退火，其中退火温度为400℃，退火时间2h，然后随炉冷却至室温；
E.将冷却后的衬底放入-196℃的液氮中进行深冷处理6.2h。
实施例5
A.选用TC4合金作为衬底材料，衬底材料通过机械加工去除表面的不规则部分；
B.对衬底材料依次进行打磨、酸洗、除油、清洗并烘干待用，其中打磨分别选用400#、800#、1200#精度的砂纸，酸洗选用15％的盐酸溶液，除油选用20％的碳酸钠溶液，清洗选用去离子水，烘干在氮气气氛下进行；
C.将烘干后的衬底放入气体渗氮炉中，通入氨分解气进行气体渗氮，渗氮时先以10℃/min速率将温度升至650℃，然后保温8h；
D.将渗氮后的衬底放入真空退火炉中进行真空退火，其中退火温度为400℃，退火时间2h，然后随炉冷却至室温；
E.将冷却后的衬底放入-196℃的液氮中进行深冷处理6.7h。
对比例1
A.选用TC4合金作为衬底材料，衬底材料通过机械加工去除表面的不规则部分；
B.对衬底材料依次进行打磨、酸洗、除油、清洗并烘干待用，其中打磨分别选用400#、800#、1200#精度的砂纸，酸洗选用15％的盐酸溶液，除油选用20％的碳酸钠溶液，清洗选用去离子水，烘干在氮气气氛下进行；
C.将烘干后的衬底放入气体渗氮炉中，通入氨分解气进行气体渗氮，渗氮时先以10℃/min速率将温度升至650℃，然后保温8h；
D.将渗氮后的衬底放入真空退火炉中进行真空退火，其中退火温度为400℃，退火时间2h，然后随炉冷却至室温；
E.将冷却后的衬底放入-196℃的液氮中进行深冷处理3h。
对比例2
A.选用TC4合金作为衬底材料，衬底材料通过机械加工去除表面的不规则部分；
B.对衬底材料依次进行打磨、酸洗、除油、清洗并烘干待用，其中打磨分别选用400#、800#、1200#精度的砂纸，酸洗选用15％的盐酸溶液，除油选用20％的碳酸钠溶液，清洗选用去离子水，烘干在氮气气氛下进行；
C.将烘干后的衬底放入气体渗氮炉中，通入氨分解气进行气体渗氮，渗氮时先以10℃/min速率将温度升至650℃，然后保温8h；
D.将渗氮后的衬底放入真空退火炉中进行真空退火，其中退火温度为400℃，退火时间2h，然后随炉冷却至室温；
E.将冷却后的衬底放入-196℃的液氮中进行深冷处理9h。
以下，将实施例1-5以及对比例1-2的实验样品在超声手术刀的工作频率(55kHz)下进行疲劳测试，根据各样品的发生疲劳断裂时的循环次数评价其疲劳寿命，具体实验数据如表1所示，其中空白组为未进行渗氮处理和深冷处理的TC4合金。
表1各实验样品的循环次数
| 编号 | 循环次数 |
| 实施例1 | 3.17*109 |
| 实施例2 | 5.11*109 |
| 实施例3 | 5.88*109 |
| 实施例4 | 6.96*109 |
| 实施例5 | 6.13*109 |
| 对比例1 | 3.26*108 |
| 对比例2 | 5.39*108 |
| 空白组 | 1.21*108 |
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种高性能超声刀的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.选用钛合金作为衬底材料，衬底材料通过机械加工去除表面的不规则部分；
B.对衬底材料依次进行打磨、酸洗、除油、清洗并烘干待用；
C.将烘干后的衬底放入气体渗氮炉中，通入氨分解气进行气体渗氮，渗氮时先以10-15℃/min速率将温度升至600-650℃，然后保温8-9h；
D.将渗氮后的衬底放入真空退火炉中进行真空退火，其中退火温度为350-400℃，退火时间2-2.5h，然后随炉冷却至室温；
E.将冷却后的衬底放入-196℃的液氮中进行深冷处理，深冷处理时间为6.2h。
2.一种如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述钛合金为TC4合金。
3.一种如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述打磨分别选用400#、800#、1200#精度的砂纸。
4.一种如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述酸洗选用15％的盐酸溶液。
5.一种如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述除油选用20％的碳酸钠溶液。
6.一种如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述清洗选用去离子水，所述烘干在氮气气氛下进行。
7.一种高性能超声刀，其特征在于，所述超声刀由权利要求1-6中任一项所述方法制备而得。
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