CN114574794A - 一种超高塑性的医用β钛合金复合结构材料的制备工艺 - Google Patents

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张自林
刘小春
张家璇
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Abstract

本发明公开了一种超高塑性的医用β钛合金复合结构材料的制备工艺，通过对热处理态的β钛合金(TiNbZrSnMo)利用自搭建的大功率脉冲激光熔覆装置在快速激光扫描参数下骤冷，即可实现组织的转变，使原β单层等轴组织转变为β双层等轴组织，有利于提高β钛合金的强度、抗菌性和塑性。本发明的热处理工艺参数包含有：激光扫描功率，激光扫描速度，基板温度和保温时间参数4项。本方法简单，受环境干扰因素小，可将工艺参数与所获得的组织形貌和性能进行线性连接，从而更有利于找出工艺参数、β晶粒尺寸和性能之间的直接关系。

Description

一种超高塑性的医用β钛合金复合结构材料的制备工艺
技术领域
本发明属于选区激光熔覆成形领域，特别是涉及选区激光熔覆成形钛合金中获得低模高塑性组织的处理方法。
背景技术
钛及钛合金因其具有优异的力学性能、生物相容性、耐腐蚀性能和较低的弹性模量，被广泛应用于制造人工关节、口腔植入以及其它整形植入体。目前人体中使用的医用钛合金材料多为Ti6Al4V合金，其塑性仅有20％，这种脆性材料在疲劳性能和断裂韧性有着欠佳的表现。不含有害元素低模量的Ti-Nb系β钛合金被认定为新型的医用钛合金，有着广阔的应用前景，新工艺优化后的β钛合金有超高的强度塑性匹配值，使其在医用领域有广阔的应用前景。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种可获得超高塑性低模高强的医用β钛合金处理方法，采用大功率脉冲激光熔覆处理的方式对β钛合金的组织进行调整。
本发明所采用的技术方案是，一种超高塑性低模的β钛合金的制备方法，通过对制备的的β钛合金在大功率脉冲激光熔覆装置下进行处理，即可实现β单层等轴组织材料转变为β双层等轴复合材料。
本发明所保护的技术方案为：一种超高塑性低模的β钛合金的制备方法，按照以下步骤进行：
步骤1)制备好含有β单相等轴晶的钛合金样品。
步骤2)热处理样品，将坩埚随气氛保护炉以5-15℃/min的升温速率加热至800℃。
步骤3)气氛保护炉加热至目标温度后放入步骤1)制备的含有β相的钛合金。
步骤4)待炉内温度达到目标温度后开始计时，保温1小时。
步骤5)保温结束后，样品随炉冷却温度至450℃，保温4小时。
步骤6)保温结束后，样品随炉冷却至室温，取出钛合金样品，使试样原始组织转变为单相β相。
步骤7)将步骤6)制备的样品利用激光熔覆装置进行处理可得到性能更好的样品。
与现有技术相比，本发明有以下几个优点：
1)本发明的优势在于仅需要热处理和激光处理就可以将β钛合金的β单层等轴组织转变为β双层等轴组织复合结构材料，该处理工艺简单，影响因素小。
2)本发明的优势在于处理后获得的样品，具有与原始样品相比更好的塑性和较低杨氏模量，且其强度没有降低，改善β钛合金在生物医用中模量不匹配的现象。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明方法流程图。
图2为激光处理前的组织分布。
图3为激光处理后的组织分布。
图4为β钛合金热处理后和热处理激光处理后的力学性能。
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。
本发明提供一种超高塑性低模的β钛合金的制备方法，通过对制备的β钛合金在适当温度、保温时间和激光熔覆条件下进行处理，可有效的将钛合金的单层β等轴组织转变为双层等轴组织。
本发明有两类主要用途：第一是通过热处理调整β钛合金的相组织结构，降低合金的弹性模量；第二是通过激光熔覆处理析出双相使β钛合金具备优异的塑性。
本发明的原理在于：通过控制激光熔覆处理的功率、扫描速度，达到组织的转变，从而控制材料性能的目的。本发明的热处理工艺简单，影响因素小。
实施案例
单层β等轴组织材料经过激光处理后转变为双层β等轴组织复合结构材料，材料使用铸态β钛合金块材，形貌为等轴β组织，如图2所示，实施方法如下。
步骤1：将坩埚随气氛保护炉以5-15℃/min的升温速率加热至800℃。
步骤2：将制备的块体β钛合金放入炉内有效区内，这时炉温降至750℃，待炉内温度重新升至800℃时开始计算保温时间。
步骤3：保温结束后，待炉内温度降至450℃时，再次保温4h。
步骤4：对热处理后的样品进行激光熔覆处理，处理参数为：扫描速率为1000 mm/min，功率为250W。激光处理后β合金组织如图3所示，可以看出经处理后的β等轴组织转变为双层组织。
步骤5：对激光处理前后的样品进行力学性能检查，热处理后β钛合金力学性能如图 4所示，可以看出经处理后材料的塑性增加超过20％，且强度不变。

Claims (5)

1.在一种超高塑性的医用β钛合金复合结构材料的制备工艺，其特征在于，通过对制备的的β钛合金在大功率脉冲激光熔覆装置下进行处理，即可实现β单层等轴组织材料转变为β双层等轴复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种超高塑性的医用β钛合金复合结构材料的制备工艺，其特征在于，所述组织的转变包括单层等轴组织转变为双层等轴组织。
3.根据权利要求2所述的一种超高塑性的医用β钛合金复合结构材料的制备工艺，其特征在于，所述β钛合金中单层等轴组织转变为双层等轴组织的处理过程具体为：在热处理炉温度达到热处理温度800℃时装炉，装料后等炉温达到热处理温度后开始计时，保温1小时后待温度降到450℃时继续保温4h，炉内冷却至室温，然后在大功率脉冲激光熔覆装置下进行处理。
4.根据权利要求1所述的一种超高塑性的医用β钛合金复合结构材料的制备工艺，其特征在于，所述的组织转变可使原β单层等轴组织转变为β双层等轴组织。
5.根据权利要求1所述的一种超高塑性的医用β钛合金复合结构材料的制备工艺，其特征在于，β相具备优异的塑性性能。
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