CN114480916A - 一种医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医用钛合金技术领域，涉及一种医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材及其制备方法。该制备方法，通过高温锻造与低温轧制工艺的有效结合，使材料强度及塑性同时得到改善；具体为：将铸锭加热至α+β两相区进行多火次的换向墩拔锻造、精锻、矫直及中间多次表面缺陷修磨，得到棒坯；通过精锻过程中高频率锻打引起的变形热，使材料热量分散更均匀，有效改善Ti7Al4Mo钛合金材料组织及力学性能，可广泛应用于超声刀刀头、喷气发动机部件、导弹锻件及武器装备等领域，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于医用钛合金技术领域，涉及医用超声刀，具体涉及一种医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材及其制备方法。
背景技术
临床用超声手术刀根据手术对象可以分为软组织超声手术刀和硬组织超声手术刀，主要应用在白内障乳化、肝胆肿瘤吸引、吸脂美容、切骨、切割凝血等方面。相对于传统高频电刀、机械夹钳，医用超声刀具有频率低、振幅大、可连续工作的特性，以及精度高、止血少、无灼伤、恢复快等优势。
国内外许多学者和机构对超声手术刀开展研究并已推广至临床手术，近二十年来，日本、法国及美国等公司陆续推出超声波手术刀产品。国内超声手术刀虽然起步较晚，但也开展了很多相关研究，南京铁道医学院、东南大学、南京中科院电工所、长春理工大学、浙江理工大学等机构对超声手术刀的振动特性、生物组织作用机理及灵活性等方面进行深入探索，开发出多类型多功能的超声手术刀。
现有医用超声手术刀的材质一般选择工作频率范围内，材料的损耗和阻抗要特别小，已有的医用超声手术刀片通常由不锈钢、铝或钛合金等材料制成，因为这些材料均有助于超声波能量的传输。目前，超声手术刀最常用的材料是TC4钛合金，但其能量损耗较多、且力学性能尚无法满足超声刀的工作要求，例如超声刀片手术过程中出现断刀。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材及其制备方法，该钛合金丝材性能优异、能量损耗小，解决了现有超声刀片手术过程中断刀的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材，以质量百分数计，包括Al：6.5％～7.3％，Mo：3.5％～4.5％，Fe：≤0.25％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，O：≤0.2％，H：≤0.0125％，余量为钛和不可避免的杂质。
进一步，所述Ti7Al4Mo钛合金丝材的室温拉伸性能如下：抗拉强度Rm≥1120MPa，延伸强度Rp0.2≥1050MPa，伸长率A≥20％，断面收缩率Z≥45％。
进一步，Ti7Al4Mo钛合金丝材的声速水平为6200m/s～6300m/s。
另一方面，本发明还提供了基于上述部分或全部所述的医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材的制备方法，具体包括以下步骤：
1)熔炼铸锭：按照配比称取原材料，将所述原材料进行混合并压制焊接成电极块，熔炼形成铸锭；
2)锻造：将所述铸锭进行扒皮、去除冒口处理；再将处理后的铸锭经电炉加热至β相变点以上30℃-100℃保温90min～240min后进行锻造，表面缺陷修磨；再经电炉加热至α+β两相区进行多火次的换向墩拔锻造、精锻、矫直及中间多次表面缺陷修磨，得到圆坯料；
3)热轧制：将修磨合格的圆坯料加热至β相变点以下80℃～150℃保温60min～100min后，多道次轧制成Φ9.0mm～Φ10.0mm棒坯；
4)热拉拔：将热轧制后的棒坯加热至钛合金相变点以下80℃～150℃，边加热边拉拔，制得钛合金丝材；在拉拔过程中对钛合金丝材进行退火处理，退火温度为650℃～750℃，保温时间为30min～90min，冷却方式为空冷；
5)成品热处理：定尺下断，进行固溶、时效热处理；
6)矫直精整：对钛合金丝材进行矫直、磨削和抛光处理，使直线度、尺寸及表面粗糙度满足医用超声刀刀头要求；
7)表面硬化处理：以提高刀头的表面硬度。
进一步，所述步骤1)中原材料包括零级海绵钛、AlMoTi、Al豆和Fe钉和TiO2。
进一步，所述步骤3)中，首次轧制时，需要对轧辊进行预热。
进一步，所述步骤5)中，固溶热处理方式为：加热到(920～1000)℃，保温(0.5～2)h后水冷，时效热处理方式为：加热到(550-650)℃，保温(4～10)h后空冷。
进一步，所述步骤7)中，通过离子注入、等离子渗氮、激光表面处理、表面纳米化处理或无氢渗碳的方式处理刀头表面，以提高刀头表面的硬度。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：利用Ti7Al4Mo优异的力学性能和声速水平，将其加工成超声刀刀头，应用到超声刀领域；本发明提供的制备方法，将铸锭加热至α+β两相区进行多火次的换向墩拔锻造、精锻、矫直及中间多次表面缺陷修磨，得到棒坯；通过精锻过程中高频率锻打引起的变形热，使材料热量分散更均匀，有效改善Ti7Al4Mo钛合金材料组织及力学性能，表面硬度提高了至少1倍。同时，本发明通过高温锻造与低温轧制工艺的有效结合，使材料强度及塑性同时得到改善。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1提供的一种用于超声手术刀Ti7Al4Mo钛合金丝材的金相组织的横向组织图；
图2为实施例2提供的一种用于超声手术刀Ti7Al4Mo钛合金丝材的金相组织的横向组织图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的产品、方法的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材，以质量百分数计，包括Al：6.53％，Mo：3.59％，Fe：0.13％，C：0.007％，N：0.006％，O：0.117％，H：0.0011％，余量为钛和不可避免的杂质。
进一步，所述原材料为零级小颗粒海绵钛、AlMoTi、Al豆和Fe钉和TiO2；并采用三次真空自耗熔炼技术，对铸锭取样进行成分检测，进行超声波探伤，确保符合要求。
进一步，所述Ti7Al4Mo钛合金丝材的室温拉伸性能如下：抗拉强度Rm＝1192MPa，延伸强度Rp0.2＝1060MPa，伸长率A＝21.7％，断面收缩率Z＝46.5％。
进一步，Ti7Al4Mo钛合金丝材的声速水平为6287m/s。
进一步，利用金相法测Ti7Al4Mo的β相变点为1010℃。
此外，本实施例还提供了一种医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材的制备方法，具体包括：
步骤1)、熔炼铸锭：按照上述配比称取原材料，将所述原材料进行混合并压制焊接成电极块，采用熔炼形成铸锭；
步骤2)、锻造：先将铸锭经超声探伤后，表面扒皮、锯切冒口，以切除顶部缩孔、疏松部位；然后进行成分检测；再将铸锭经电炉加热至1050℃以上，完全烧透后，进行开坯锻造；再经电炉加热至940～990℃，完全烧透后，进行多火次换向墩拔，再精锻至所需棒坯尺寸Φ55mm，在线矫直，中间进行多次表面缺陷修磨；
步骤3)、热轧制：将修磨合格的圆坯料在两相区加热，进行多道次轧制，变形至Φ9.5mm棒坯；首次轧制时，需要对轧辊进行预热；
步骤4)、热拉拔：将所述棒坯经电炉加热至钛合金相变点以下80～150℃，经多道次拉至Φ5.6mm，在拉拔过程中对钛合金丝材进行退火处理，退火温度为700℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；
步骤5)、对拉拔后的钛合金丝材进行固溶、时效处理，固溶热处理方式为960℃/1H/WQ，时效热处理方式为600℃/6H/AC；
步骤6)、矫直精整：在辊式矫直机上进行两次辊式矫直，在无心磨床上进行粗磨削、半精磨及精磨削至丝材成品要求尺寸Φ5.0mm；在抛光机上进行抛光处理，使表面粗糙度达到要求；
步骤7)、表面硬化处理：采用双层辉光离子渗碳对Ti7Al4Mo试样进行表面处理，以提高其表面硬度，其金相组织的横向组织图参见图1。
实施例2
本实施例提供了一种医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材，以质量百分数计，包括Al：7.15％，Mo：4.45％，Fe：0.12％，C：0.009％，N：0.008％，O：0.115％，H：0.0010％，余量为钛和不可避免的杂质。
进一步，所述原材料为零级小颗粒海绵钛、AlMoTi、Al豆和Fe钉和TiO2；并采用三次真空自耗熔炼技术，对铸锭取样进行成分检测，进行超声波探伤，确保符合要求。
进一步，所述Ti7Al4Mo钛合金丝材的室温拉伸性能如下：抗拉强度Rm＝1187MPa，延伸强度Rp0.2＝1065MPa，伸长率A＝22.6％，断面收缩率Z＝45.7％。
进一步，Ti7Al4Mo钛合金丝材的声速水平为6295m/s。
进一步，利用金相法测Ti7Al4Mo的β相变点为1015℃。
此外，本实施例还提供了一种医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材的制备方法，具体包括：
步骤1)、熔炼铸锭：按照上述配比称取原材料，将所述原材料进行混合并压制焊接成电极块，采用熔炼形成铸锭；
步骤2)、锻造：先将铸锭经超声探伤后，表面扒皮、锯切冒口，以切除顶部缩孔、疏松部位；然后进行成分检测；再将铸锭经电炉加热至1075℃以上，完全烧透后，进行开坯锻造；再经电炉加热至940～990℃，完全烧透后，进行多火次换向墩拔，再精锻至所需棒坯尺寸Φ55mm，在线矫直，中间进行多次表面缺陷修磨；
步骤3)、热轧制：将修磨合格的圆坯料在两相区加热，进行多道次轧制，变形至Φ9.5mm棒坯；首次轧制时，需要对轧辊进行预热；
步骤4)、热拉拔：将所述棒坯经电炉加热至钛合金相变点以下80～150℃，经多道次拉至Φ5.6mm，在拉拔过程中对钛合金丝材进行退火处理，退火温度为700℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷；
步骤5)、对拉拔后的钛合金丝材进行固溶、时效处理，固溶热处理方式为920℃/2H/WQ，时效热处理方式为650℃/4H/AC；
步骤6)、矫直精整：在辊式矫直机上进行两次辊式矫直，在无心磨床上进行粗磨削、半精磨及精磨削至丝材成品要求尺寸Φ5.0mm；在抛光机上进行抛光处理，使表面粗糙度达到要求；
步骤7)、表面硬化处理：采用双层辉光离子渗碳对Ti7Al4Mo试样进行表面处理，以提高其表面硬度，其金相组织的横向组织图参见图2。
实施例3
本实施例提供了一种医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材，以质量百分数计，包括Al：6.71％，Mo：4.09％，Fe：0.13％，C：0.010％，N：0.005％，O：0.112％，H：0.0009％，余量为钛和不可避免的杂质。
进一步，所述原材料为零级小颗粒海绵钛、AlMoTi、Al豆和Fe钉和TiO2；并采用三次真空自耗熔炼技术，对铸锭取样进行成分检测，进行超声波探伤，确保符合要求。
进一步，所述Ti7Al4Mo钛合金丝材的室温拉伸性能如下：抗拉强度Rm＝1195MPa，延伸强度Rp0.2＝1072MPa，伸长率A＝22.9％，断面收缩率Z＝46.3％。
进一步，Ti7Al4Mo钛合金丝材的声速水平为6292m/s。
进一步，利用金相法测Ti7Al4Mo的β相变点为1020℃。
此外，本实施例还提供了一种医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材的制备方法，具体包括：
步骤1)、熔炼铸锭：按照上述配比称取原材料，将所述原材料进行混合并压制焊接成电极块，采用熔炼形成铸锭；
步骤2)、锻造：先将铸锭经超声探伤后，表面扒皮、锯切冒口，以切除顶部缩孔、疏松部位；然后进行成分检测；再将铸锭经电炉加热至1110℃以上，完全烧透后，进行开坯锻造；再经电炉加热至940～990℃，完全烧透后，进行多火次换向墩拔，再精锻至所需棒坯尺寸Φ55mm，在线矫直，中间进行多次表面缺陷修磨；
步骤3)、热轧制：将修磨合格的圆坯料在两相区加热，进行多道次轧制，变形至Φ9.5mm棒坯；首次轧制时，需要对轧辊进行预热；
步骤4)、热拉拔：将所述棒坯经电炉加热至钛合金相变点以下80～150℃，经多道次拉至Φ5.6mm，在拉拔过程中对钛合金丝材进行退火处理，退火温度为750℃，保温时间为90min，冷却方式为空冷；
步骤5)、对拉拔后的钛合金丝材进行固溶、时效处理，固溶热处理方式为1000℃/0.5H/WQ，时效热处理方式为550℃/8H/AC；
步骤6)、矫直精整：在辊式矫直机上进行两次辊式矫直，在无心磨床上进行粗磨削、半精磨及精磨削至丝材成品要求尺寸Φ5.0mm；在抛光机上进行抛光处理，使表面粗糙度达到要求；
步骤7)、表面硬化处理：采用双层辉光离子渗碳对Ti7Al4Mo试样进行表面处理，以提高其表面硬度。
通过上述表述可知，将实施例1～3的钛合金铸锭的原材料选用零级海绵钛为原料，纯Al豆、AlMoTi颗粒、Fe钉及TiO2为合金元素，按照实施例1～3各自要求的合金成分配料，压制电极，利用真空自耗电弧炉进行三次熔炼成Φ380mm铸锭。实施例1～3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，实施例1～3制得的钛合金丝材的力学性能检测和声速水平见表2。
表1 Ti7Al4Mo铸锭的化学成分(以质量百分数，％)
表2 Ti7Al4Mo钛合金丝材的力学性能及声速
由表2可知，实施例1～3制得的钛合金丝材的力学性能优异，能量损耗小。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (8)
1.一种医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材，其特征在于，以质量百分数计，包括Al：6.5％～7.3％，Mo：3.5％～4.5％，Fe：≤0.25％，C：≤0.08％，N：≤0.05％，O：≤0.2％，H：≤0.0125％，余量为钛和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材，其特征在于，所述Ti7Al4Mo钛合金丝材的室温拉伸性能如下：抗拉强度Rm≥1120MPa，延伸强度Rp0.2≥1050MPa，伸长率A≥20％，断面收缩率Z≥45％。
3.根据权利要求1所述的医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材，其特征在于，所述Ti7Al4Mo钛合金丝材的声速水平为6200m/s～6300m/s。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)熔炼铸锭：按照配比称取原材料，将所述原材料进行混合并压制焊接成电极块，熔炼形成铸锭；
2)锻造：将所述铸锭进行扒皮、去除冒口处理；再将处理后的铸锭经电炉加热至β相变点以上30℃-100℃保温90min～240min后进行锻造，表面缺陷修磨；再经电炉加热至α+β两相区进行多火次的换向墩拔锻造、精锻、矫直及中间多次表面缺陷修磨，得到圆坯料；
3)热轧制：将修磨合格的圆坯料加热至β相变点以下80℃～150℃保温60min～100min后，多道次轧制成Φ9.0mm～Φ10.0mm棒坯；
4)热拉拔：将热轧制后的棒坯加热至钛合金相变点以下80℃～150℃，边加热边拉拔，制得钛合金丝材；在拉拔过程中对钛合金丝材进行退火处理，退火温度为650℃～750℃，保温时间为30min～90min，冷却方式为空冷；
5)成品热处理：定尺下断，进行固溶、时效热处理；
6)矫直精整：对钛合金丝材进行矫直、磨削和抛光处理，使直线度、尺寸及表面粗糙度满足医用超声刀刀头要求；
7)表面硬化处理：以提高刀头的表面硬度。
5.根据权利要求4所述的医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中原材料包括零级海绵钛、AlMoTi、Al豆和Fe钉和TiO2。
6.根据权利要求4所述的医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，首次轧制时，需要对轧辊进行预热。
7.根据权利要求4所述的医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中，固溶热处理方式为：加热到(920～1000)℃，保温(0.5～2)h后水冷，时效热处理方式为：加热到(550-650)℃，保温(4～10)h后空冷。
8.根据权利要求4所述的医用超声刀Ti7Al4Mo钛合金丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤7)中，通过离子注入、等离子渗氮、激光表面处理、表面纳米化处理或无氢渗碳的方式处理刀头表面，以提高刀头表面的硬度。
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| CN (1) | CN114480916B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115976439A (zh) * | 2022-12-28 | 2023-04-18 | 西安圣泰金属材料有限公司 | 超声手术刀用tc4eli钛合金棒材的热处理方法及钛合金棒材 |
| CN116043151A (zh) * | 2022-12-29 | 2023-05-02 | 浙江省科创新材料研究院 | 一种提高tc4eli合金高周疲劳寿命的制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58148016A (ja) * | 1982-02-27 | 1983-09-03 | Sumitomo Metal Ind Ltd | チタン線またはチタン合金線の製造方法 |
| CN111020292A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-04-17 | 宝鸡鑫诺新金属材料有限公司 | 一种生物用超声刀专用tc4钛合金丝材及其生产方法 |
| CN113528893A (zh) * | 2021-07-21 | 2021-10-22 | 西安圣泰金属材料有限公司 | 一种用于超声手术刀的tc4eli钛合金及钛合金棒材的生产方法 |
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2021
- 2021-12-30 CN CN202111645705.5A patent/CN114480916B/zh active Active
Patent Citations (3)
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| CN113528893A (zh) * | 2021-07-21 | 2021-10-22 | 西安圣泰金属材料有限公司 | 一种用于超声手术刀的tc4eli钛合金及钛合金棒材的生产方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| 本书编辑组: "《钛合金文集（一九七五年）》", 30 November 1977 * |
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| CN116043151A (zh) * | 2022-12-29 | 2023-05-02 | 浙江省科创新材料研究院 | 一种提高tc4eli合金高周疲劳寿命的制备方法 |
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