CN116144981B - 一种含稳定β相钛合金铸锭及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种含稳定β相钛合金铸锭及其制备方法，所述钛合金铸锭包含两种相，稳定的β相及含铜相，按质量百分比计，其成分由以下元素组成：Nb：37～38％，Zr：3～5％，Cu：7～10％。本发明通过Ti‑Nb‑Zr‑Cu特定的元素配比以及水冷铜模负压吸铸工艺结合分级淬火工艺减少α相的产生，以得到稳定β相，使得制备的钛合金铸锭具有高强度低模量同时具备优良的抗菌性，能够满足生物医用金属的要求。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，尤其涉及一种含稳定β相钛合金铸锭及其制备方法 。
背景技术
钛及钛合金由于其良好的强度、弹性模量及生物相容性，在生物医学领域应用甚广；钛有两种同素异构体，即低温下生成的α相和高温下生成的β相，其α/β转变温度为882℃；早期，Ti-6Al-4V及纯钛等α型合金被用于人体的膝关节、人工髋关节等，之后是得到更多应用的Ti-5Al-2.5Fe等α+β型合金，现如今，更受欢迎的是具备更低弹性模量以接近人骨（0~30GPa）的β型合金。
然而钛合金中所含Al元素将引起贫血，神经紊乱等症状；V元素会诱发炎症以及引起纤维包囊等症状；添加Nb、Zr等生物相容性好且无毒的β稳定元素，可以得到拥有低弹性模量、较好的强度及优异生物相容性的β型钛合金；在钛的同素异构体弹性模量对比中，β＜ω＜α，故β型钛合金中，不含过渡相ω与α的稳定β相钛合金弹性模量最低，同时，β相的塑性相比较另外两种同素异构体更好，这使得稳定β相钛合金更易加工；值得一提地，β相钛合金并不具备抗菌性，而Cu作为人体每日必需的微量元素，具有较强的杀菌能力，在钛合金中加入Cu元素，可以有效地防止细菌感染，同时稳定β相。
申请号为201810121091.2的中国专利申请公开了一种含铜抗菌生物医用β型钛合金板材的制备方法，成功得到了抗拉强度1126MPa的钛合金，该方法熔炼后进行热处理，再进行多次热轧，其得出板材受形状限制，加工应用较窄；申请号为201911192972.4中国专利申请公开了一种低弹性模量抗菌医用钛合金，其弹性模量高达80GPa，无法完全地解决植入体与人骨的“应力屏蔽”现象；申请号为202210782110.2中国专利申请公开了一种生物医用β相钛合金及其制备方法，其加入了稀贵金属Ag元素，不利于控制成本，且未能生成含铜相，意味合金抗菌性能不理想；申请号为201911377994 .8的中国专利申请公开了一种形变强化抗菌钛合金，其弹性模量为41GPa，抗压强度为1587MPa，然而由XRD谱图，其中出现了更脆的α相以及影响力学性能的CuxZry相，这对于材料后续加工十分不利。
因此，研究开发一种高强度低模量同时具备抗菌，无毒的医用钛合金铸锭对减少细菌感染，减轻患者经济负担具有重大意义。
发明内容
本发明是要解决现有的β型钛合金铸锭弹性模量高、强度较低以及无抗菌性能等问题，而提供一种含稳定β相钛合金铸锭及其制备方法。
本发明的目的在于提供一种含稳定β相钛合金铸锭，所述钛合金铸锭包含两种相，稳定的β相及含铜相，按质量百分比计，其成分由以下元素组成：Nb：37~39%，Zr：2~5%，Cu：7~10%，余量为Ti。
优选的，本发明所述钛合金铸锭包含两种相，稳定的β相及含铜相，按质量百分比计，Nb质量百分比含量为38%，所述Zr质量百分比含量为3~5%，余量为Ti。
本发明的另一目的在于提供一种含稳定β相钛合金铸锭，所述抗菌钛合金铸锭的制备方法如下：
A、熔炼：将原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中，先后使用机械泵和分子泵对炉室进行抽真空，后充入99.99%的氩气，控制铈钨电极对原料进行熔炼。
B、吸铸：使用水冷铜模负压吸铸法将一次锭金属液吸入模腔中，快速冷却后获得二次锭。
C、热处理：对盐浴炉进行预热，将二次锭放入真空箱式马弗炉中加热，保温后使用盐浴炉进行分级淬火得到钛合金铸锭。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤A中炉室真空度为1.3×10-3Pa。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤A中先在1号水冷铜坩埚中使用220A的电流持续120s熔化铌粒，再在2号水冷铜坩埚中使用180A的电流持续100s熔化锆粒、钛粒、铜粒，最后将2号水冷铜坩埚中铸锭移至1号水冷铜坩埚，对两块铸锭使用200A的电流持续60s熔化为一次锭。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤A中翻面3次熔炼后得到成分均匀的一次锭。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤C中真空箱式马弗炉加热温度为890~900℃，加热速率为15℃/min，保温50~60min。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤C中盐浴炉预热温度为200℃，冷却速率为20℃/s，盐浴保温时间为3min，随后取出样品空冷。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明的一种含稳定β相钛合金铸锭可广泛用于进一步工业生产，通过d电子理论、钼当量理论、e/a价电子理论调控Nb元素和Zr元素的含量计算设计出弹性模量较低的具有稳定β相的钛合金，与纯钛相比，具有较高的强度和较低的弹性模量可解决“应力屏蔽”问题。
本发明提供的一种含稳定β相钛合金铸锭，采用真空非自耗电弧熔炼及真空吸铸与热处理相结合的技术，确定分级淬火温度为α/β转变温度（882℃）之上的890~900℃，以及快速冷却部分冷却速率为20℃/s，以确保得到稳定的β相，制备得到组织均匀的含稳定β相与含铜相地钛合金，相比较单一β相合金具有优良的抗菌性能，相比较α+β型钛合金，具有低弹性模量以及良好的塑性，利于解决传统医用钛合金解决细菌感染问题。
本发明提供的一种含稳定β相钛合金铸锭，有良好的抗菌性能及力学性能，其具有超弹性特性，屈服强度为598.4MPa~814.8MPa，弹性模量为50.4~67.1GPa，大肠杆菌抗菌率达到92.3~98.4%，金黄色葡萄球菌抗菌率达到77.7~84.9%。
本发明提供的一种含稳定β相钛合金铸锭，具有制备方法简单，成本低廉，无毒，优良的力学性能兼具抗菌性能的特点。
附图说明
图1为实施例1含稳定β相钛合金铸锭的XRD图谱。
图2为实施例1含稳定β相钛合金铸锭的金相图。
图3为实施例1含稳定β相钛合金铸锭的压缩应力-应变曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加明确，下面结合实施例对本发明做进一步说明：
一种含稳定β相钛合金铸锭及其制备方法，包含两种相，稳定的β相及含铜相，按质量百分比计，其成分由以下元素组成：Nb：37~39%，Zr：2~5%，Cu：7~10%，余量为Ti。通过d电子理论、钼当量理论、e/a价电子理论设计出所述Nb质量百分比含量优选为38%，所述Zr质量百分比含量优选为3~5%。
A、熔炼：将原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中，先后使用机械泵和分子泵对炉室进行抽真空，炉室真空度抽至1.3×10-3Pa，后充入99.99%的氩气，控制铈钨电极对原料进行熔炼；先在1号水冷铜坩埚中使用220A的电流持续120s熔化铌粒，再在2号水冷铜坩埚中使用180A的电流持续100s熔化锆粒、钛粒、铜粒，最后将2号水冷铜坩埚中铸锭移至1号水冷铜坩埚，对两块铸锭使用200A的电流持续60s熔化为一次锭，对其翻面3次熔炼后得到成分均匀的一次锭。
B、吸铸：使用水冷铜模负压吸铸法将熔融后的一次锭金属液吸入模腔中，快速冷却后获得二次锭。
C、热处理：对盐浴炉进行预热，盐浴炉预热温度为200℃，将二次锭放入真空箱式马弗炉中加热，真空箱式马弗炉加热温度为890~900℃，加热速率为15℃/min，保温50~60min，保温后使用盐浴炉进行分级淬火得到钛合金铸锭，盐浴保温时间为3min，冷却速率为20℃/s，随后取出样品空冷。
实施例1
本实施例中化学成分质量百分比为: Nb： 38%，Zr：3~5%，Cu：7~10%，余量为Ti。
具体为Nb：38%，Zr：3%，Cu：10%，Ti：余量，将原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中，先使用机械泵将炉室真空度抽至6Pa，再使用分子泵将炉室真空度抽至1.3×10-3Pa，后充入99.99%的氩气，打开电极电源，引弧后控制铈钨电极对原料进行熔炼；先在1号水冷铜坩埚中使用220A的电流持续120s熔化铌粒，再在2号水冷铜坩埚中使用180A的电流持续100s熔化锆粒、钛粒、铜粒，最后将2号水冷铜坩埚中铸锭使用机械手移至1号水冷铜坩埚，对两块铸锭使用200A的电流持续60s熔化为一次锭，随后缓慢关闭电流以减少缺陷，对其翻面3次熔炼后得到成分均匀的一次锭；
使用机械手将一次锭移至吸铸铜坩埚，引弧后将一次锭熔成金属液，按下操作台上的吸铸按钮，水冷铜坩埚底下的小孔将通过真空泵产生负压吸力，将熔融后的一次锭金属液吸入模腔中，吸铸时会产生极大过冷度，经由快速冷却后获得二次锭。
对盐浴炉进行预热，所用盐为碳酸盐，预热温度为200℃，将二次锭放入刚玉瓷舟坩埚中，合盖后将刚玉瓷舟坩埚放入真空箱式马弗炉中，抽取真空后充入99.99％的氩气作为保护气体，以上步骤重复两次；真空箱式马弗炉加热温度为900℃，加热速率为15℃/min，保温50min，保温后使用盐浴炉进行淬火，样品放入盐浴炉中保温3min，冷却速率为20℃/s，待取出样品空冷至室温，及时清洗残盐并干燥。
将钛合金铸锭使用电火花线切割成φ4×10mm的压缩试样，使用万能力学实验机测试其力学性能，同时切割成10×10×1mm的样品进行超声波弹性模量测试以及XRD表征。
将样品切割成10×10×2mm进行抗菌性测试，将0.4mL的细菌悬浮液（大肠杆菌/金黄色葡萄球菌）滴在样品上，在36.5±1°C、90%相对湿度下的环境中培养24小时，用无菌PBS溶液冲洗样品表面以确保将样品表面冲洗至无菌，从上述洗涤液中选择0.02mL洗液涂布到培养基上，在36.5±1°C环境中培养24小时，按国家标准（GB/T4789.2-2010）进行菌落计数用于评估抗菌效果。
抗菌率按照以下公式计算：抗菌率(％)＝[(对照样品活菌数-抗感染样品活菌数)/对照样品活菌数]×100％
图1为实施例1所制备钛合金铸锭的XRD谱图，从图中可看出钛合金钛锭由大量β相和少量含铜相组成。
图2为实施例1所制备的钛合金铸锭的光学显微组织图片，从图中可以看出β相为稳定的六边形结构，少量含铜相均匀分布在晶界周围以及晶界内部。
图3为实施例1的压缩应力-应变曲线图，其压缩速率为0.5mm/min，从图中可以看出材料形成了超弹性。
实施例2
实施例2中化学成分质量百分比具体为：Nb：38%，Zr：4%，Cu：7%，Ti：余量；将原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中，先使用机械泵将炉室真空度抽至6Pa，再使用分子泵将炉室真空度抽至1.3×10-3Pa，后充入99.99%的氩气，打开电极电源，引弧后控制铈钨电极对原料进行熔炼；先在1号水冷铜坩埚中使用220A的电流持续120s熔化铌粒，再在2号水冷铜坩埚中使用180A的电流持续100s熔化锆粒、钛粒、铜粒，最后将2号水冷铜坩埚中铸锭使用机械手移至1号水冷铜坩埚，对两块铸锭使用200A的电流持续60s熔化为一次锭，随后缓慢关闭电流以减少缺陷，对其翻面3次熔炼后得到成分均匀的一次锭。
使用机械手将一次锭移至吸铸铜坩埚，引弧后将一次锭熔成金属液，按下操作台上的吸铸按钮，水冷铜坩埚底下的小孔将通过真空泵产生负压吸力，将熔融后的一次锭金属液吸入模腔中，吸铸时会产生极大过冷度，经由快速冷却后获得二次锭。
对盐浴炉进行预热，所用盐为碳酸盐，预热温度为200℃，将二次锭放入刚玉瓷舟坩埚中，合盖后将刚玉瓷舟坩埚放入真空箱式马弗炉中，抽取真空后充入99.99％的氩气作为保护气体，以上步骤重复两次；真空箱式马弗炉加热温度为900℃，加热速率为15℃/min，保温50min，保温后使用盐浴炉进行淬火，样品放入盐浴炉中保温3min，冷却速率为20℃/s，待取出样品空冷至室温，及时清洗残盐并干燥。
将钛合金铸锭使用电火花线切割成φ4×10mm的压缩试样，使用万能力学实验机测试其力学性能。
将样品切割成10×10×2mm进行抗菌性测试，将0.4mL的细菌悬浮液（大肠杆菌/金黄色葡萄球菌）滴在样品上，在36.5±1°C、90%相对湿度下的环境中培养24小时，用无菌PBS溶液冲洗样品表面以确保将样品表面冲洗至无菌，从上述洗涤液中选择0.02mL洗液涂布到培养基上，在36.5±1°C环境中培养24小时，按国家标准（GB/T4789.2-2010）进行菌落计数用于评估抗菌效果。
实施例3
实施例3中化学成分质量百分比具体为：Nb：38%，Zr：5%，Cu：8.5%，Ti：余量；将原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中，先使用机械泵将炉室真空度抽至6Pa，再使用分子泵将炉室真空度抽至1.3×10-3Pa，后充入99.99%的氩气，打开电极电源，引弧后控制铈钨电极对原料进行熔炼；先在1号水冷铜坩埚中使用220A的电流持续120s熔化铌粒，再在2号水冷铜坩埚中使用180A的电流持续100s熔化锆粒、钛粒、铜粒，最后将2号水冷铜坩埚中铸锭使用机械手移至1号水冷铜坩埚，对两块铸锭使用200A的电流持续60s熔化为一次锭，随后缓慢关闭电流以减少缺陷，对其翻面3次熔炼后得到成分均匀的一次锭。
使用机械手将一次锭移至吸铸铜坩埚，引弧后将一次锭熔成金属液，按下操作台上的吸铸按钮，水冷铜坩埚底下的小孔将通过真空泵产生负压吸力，将熔融后的一次锭金属液吸入模腔中，吸铸时会产生极大过冷度，经由快速冷却后获得二次锭。
对盐浴炉进行预热，所用盐为碳酸盐，预热温度为200℃，将二次锭放入刚玉瓷舟坩埚中，合盖后将刚玉瓷舟坩埚放入真空箱式马弗炉中，抽取真空后充入99.99％的氩气作为保护气体，以上步骤重复两次；真空箱式马弗炉加热温度为900℃，加热速率为15℃/min，保温50min，保温后使用盐浴炉进行淬火，样品放入盐浴炉中保温3min，冷却速率为20℃/s，待取出样品空冷至室温，及时清洗残盐并干燥。
将钛合金铸锭使用电火花线切割成φ4×10mm的压缩试样，使用万能力学实验机测试其力学性能。
将样品切割成10×10×2mm进行抗菌性测试，将0.4mL的细菌悬浮液（大肠杆菌/金黄色葡萄球菌）滴在样品上，在36.5±1°C、90%相对湿度下的环境中培养24小时，用无菌PBS溶液冲洗样品表面以确保将样品表面冲洗至无菌，从上述洗涤液中选择0.02mL洗液涂布到培养基上，在36.5±1°C环境中培养24小时，按国家标准（GB/T4789.2-2010）进行菌落计数用于评估抗菌效果。
实施例4
实施例4中化学成分质量百分比为具体为Nb：38%，Zr：3%，Cu：10%，Ti：余量，将原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中，先使用机械泵将炉室真空度抽至6Pa，再使用分子泵将炉室真空度抽至1.3×10-3Pa，后充入99.99%的氩气，打开电极电源，引弧后控制铈钨电极对原料进行熔炼；先在1号水冷铜坩埚中使用220A的电流持续120s熔化铌粒，再在2号水冷铜坩埚中使用180A的电流持续100s熔化锆粒、钛粒、铜粒，最后将2号水冷铜坩埚中铸锭使用机械手移至1号水冷铜坩埚，对两块铸锭使用200A的电流持续60s熔化为一次锭，随后缓慢关闭电流以减少缺陷，对其翻面3次熔炼后得到成分均匀的一次锭。
使用机械手将一次锭移至吸铸铜坩埚，引弧后将一次锭熔成金属液，按下操作台上的吸铸按钮，水冷铜坩埚底下的小孔将通过真空泵产生负压吸力，将熔融后的一次锭金属液吸入模腔中，吸铸时会产生极大过冷度，经由快速冷却后获得二次锭。
对盐浴炉进行预热，所用盐为碳酸盐，预热温度为200℃，将二次锭放入刚玉瓷舟坩埚中，合盖后将刚玉瓷舟坩埚放入真空箱式马弗炉中，抽取真空后充入99.99％的氩气作为保护气体，以上步骤重复两次；实施例4中真空箱式马弗炉加热温度为890℃，加热速率为15℃/min，保温60min，保温后使用盐浴炉进行淬火，样品放入盐浴炉中保温3min，冷却速率为20℃/s，待取出样品空冷至室温，及时清洗残盐并干燥。
将钛合金铸锭使用电火花线切割成φ4×10mm的压缩试样，使用万能力学实验机测试其力学性能。
将样品切割成10×10×2mm进行抗菌性测试，将0.4mL的细菌悬浮液（大肠杆菌/金黄色葡萄球菌）滴在样品上，在36.5±1°C、90%相对湿度下的环境中培养24小时，用无菌PBS溶液冲洗样品表面以确保将样品表面冲洗至无菌，从上述洗涤液中选择0.02mL洗液涂布到培养基上，在36.5±1°C环境中培养24小时，按国家标准（GB/T4789.2-2010）进行菌落计数用于评估抗菌效果。
实施例5
实施例5中化学成分质量百分比为具体为Nb：38%，Zr：3%，Cu：10%，Ti：余量，将原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中，先使用机械泵将炉室真空度抽至6Pa，再使用分子泵将炉室真空度抽至1.3×10-3Pa，后充入99.99%的氩气，打开电极电源，引弧后控制铈钨电极对原料进行熔炼；先在1号水冷铜坩埚中使用220A的电流持续120s熔化铌粒，再在2号水冷铜坩埚中使用180A的电流持续100s熔化锆粒、钛粒、铜粒，最后将2号水冷铜坩埚中铸锭使用机械手移至1号水冷铜坩埚，对两块铸锭使用200A的电流持续60s熔化为一次锭，随后缓慢关闭电流以减少缺陷，对其翻面3次熔炼后得到成分均匀的一次锭。
使用机械手将一次锭移至吸铸铜坩埚，引弧后将一次锭熔成金属液，按下操作台上的吸铸按钮，水冷铜坩埚底下的小孔将通过真空泵产生负压吸力，将熔融后的一次锭金属液吸入模腔中，吸铸时会产生极大过冷度，经由快速冷却后获得二次锭。
对盐浴炉进行预热，所用盐为碳酸盐，预热温度为200℃，将二次锭放入刚玉瓷舟坩埚中，合盖后将刚玉瓷舟坩埚放入真空箱式马弗炉中，抽取真空后充入99.99％的氩气作为保护气体，以上步骤重复两次；实施例5中真空箱式马弗炉加热温度为900℃，加热速率为15℃/min，保温60min，保温后使用盐浴炉进行淬火，样品放入盐浴炉中保温3min，冷却速率为20℃/s，待取出样品空冷至室温，及时清洗残盐并干燥。
将钛合金铸锭使用电火花线切割成φ4×10mm的压缩试样，使用万能力学实验机测试其力学性能。
将样品切割成10×10×2mm进行抗菌性测试，将0.4mL的细菌悬浮液（大肠杆菌/金黄色葡萄球菌）滴在样品上，在36.5±1°C、90%相对湿度下的环境中培养24小时，用无菌PBS溶液冲洗样品表面以确保将样品表面冲洗至无菌，从上述洗涤液中选择0.02mL洗液涂布到培养基上，在36.5±1°C环境中培养24小时，按国家标准（GB/T4789.2-2010）进行菌落计数用于评估抗菌效果。
实施例6
实施例6中化学成分质量百分比为具体为Nb：38%，Zr：3%，Cu：10%，Ti：余量，将原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中，先使用机械泵将炉室真空度抽至6Pa，再使用分子泵将炉室真空度抽至1.3×10-3Pa，后充入99.99%的氩气，打开电极电源，引弧后控制铈钨电极对原料进行熔炼；先在1号水冷铜坩埚中使用220A的电流持续120s熔化铌粒，再在2号水冷铜坩埚中使用180A的电流持续100s熔化锆粒、钛粒、铜粒，最后将2号水冷铜坩埚中铸锭使用机械手移至1号水冷铜坩埚，对两块铸锭使用200A的电流持续60s熔化为一次锭，随后缓慢关闭电流以减少缺陷，对其翻面3次熔炼后得到成分均匀的一次锭。
使用机械手将一次锭移至吸铸铜坩埚，引弧后将一次锭熔成金属液，按下操作台上的吸铸按钮，水冷铜坩埚底下的小孔将通过真空泵产生负压吸力，将熔融后的一次锭金属液吸入模腔中，吸铸时会产生极大过冷度，经由快速冷却后获得二次锭。
对盐浴炉进行预热，所用盐为碳酸盐，预热温度为200℃，将二次锭放入刚玉瓷舟坩埚中，合盖后将刚玉瓷舟坩埚放入真空箱式马弗炉中，抽取真空后充入99.99％的氩气作为保护气体，以上步骤重复两次；实施例6中真空箱式马弗炉加热温度为900℃，加热速率为15℃/min，保温60min，保温后使用盐浴炉进行淬火，样品放入盐浴炉中保温2min，冷却速率为15℃/s，待取出样品空冷至室温，及时清洗残盐并干燥。
将钛合金铸锭使用电火花线切割成φ4×10mm的压缩试样，使用万能力学实验机测试其力学性能。
将样品切割成10×10×2mm进行抗菌性测试，将0.4mL的细菌悬浮液（大肠杆菌/金黄色葡萄球菌）滴在样品上，在36.5±1°C、90%相对湿度下的环境中培养24小时，用无菌PBS溶液冲洗样品表面以确保将样品表面冲洗至无菌，从上述洗涤液中选择0.02mL洗液涂布到培养基上，在36.5±1°C环境中培养24小时，按国家标准（GB/T4789.2-2010）进行菌落计数用于评估抗菌效果。
实施例7
实施例7中化学成分质量百分比为具体为Nb：38%，Zr：3%，Cu：10%，Ti：余量，将原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中，先使用机械泵将炉室真空度抽至6Pa，再使用分子泵将炉室真空度抽至1.3×10-3Pa，后充入99.99%的氩气，打开电极电源，引弧后控制铈钨电极对原料进行熔炼；先在1号水冷铜坩埚中使用220A的电流持续120s熔化铌粒，再在2号水冷铜坩埚中使用180A的电流持续100s熔化锆粒、钛粒、铜粒，最后将2号水冷铜坩埚中铸锭使用机械手移至1号水冷铜坩埚，对两块铸锭使用200A的电流持续60s熔化为一次锭，随后缓慢关闭电流以减少缺陷，对其翻面3次熔炼后得到成分均匀的一次锭。
使用机械手将一次锭移至吸铸铜坩埚，引弧后将一次锭熔成金属液，按下操作台上的吸铸按钮，水冷铜坩埚底下的小孔将通过真空泵产生负压吸力，将熔融后的一次锭金属液吸入模腔中，吸铸时会产生极大过冷度，经由快速冷却后获得二次锭。
对盐浴炉进行预热，所用盐为碳酸盐，预热温度为200℃，将二次锭放入刚玉瓷舟坩埚中，合盖后将刚玉瓷舟坩埚放入真空箱式马弗炉中，抽取真空后充入99.99％的氩气作为保护气体，以上步骤重复两次；实施例7中真空箱式马弗炉加热温度为800℃，加热速率为15℃/min，保温60min，保温后使用盐浴炉进行淬火，样品放入盐浴炉中保温4min，冷却速率为20℃/s，待取出样品空冷至室温，及时清洗残盐并干燥。
将钛合金铸锭使用电火花线切割成φ4×10mm的压缩试样，使用万能力学实验机测试其力学性能。
实施例1、2、3、4、5、6、7制备的钛合金铸锭性能指标测试结果如表1所示。
表1
从表1中可以看出，本发明中所述的一种含稳定β相钛合金铸锭，有优良的抗菌性能和良好的强度以及较低的弹性模量，不含有毒元素，但是实施例6、7由于冷却速度较慢以及淬火温度较低，生成了α相，导致其弹性模量大幅上升，不符合人体材料所需。
Claims (3)
1.一种含稳定β相钛合金铸锭的制备方法，其特征在于：所述钛合金铸锭包含两种相，稳定的β相及含铜相，按质量百分比计，其成分由以下元素组成：Nb：37~39%，Zr：2~5%，Cu：7~10%，余量为Ti；具体包括以下步骤：
（1）熔炼：将原料放入真空非自耗电弧熔炼炉中，先后使用机械泵和分子泵对炉室进行抽真空，后充入99.99%的氩气，控制铈钨电极对原料进行熔炼；
（2）吸铸：使用水冷铜模负压吸铸法将一次锭金属液吸入模腔中，快速冷却后获得二次锭；
（3）热处理：对盐浴炉进行预热，将二次锭放入真空箱式马弗炉中加热，保温后使用盐浴炉进行分级淬火得到钛合金铸锭；
所述步骤（1）中先在1号水冷铜坩埚中使用220A的电流持续120s熔化铌粒，再在2号水冷铜坩埚中使用180A的电流持续100s熔化锆粒、钛粒、铜粒，最后将2号水冷铜坩埚中铸锭移至1号水冷铜坩埚，对两块铸锭使用200A的电流持续60s熔化为一次锭；
所述步骤（3）中盐浴炉预热温度为200℃，冷却速率为20℃/s，盐浴保温时间为3min，随后取出样品空冷；
所述步骤（3）中真空箱式马弗炉加热温度为890~900℃，加热速率为15℃/min，保温50~60min。
2.根据权利要求1所述含稳定β相钛合金铸锭的制备方法，其特征在于：真空非自耗电弧熔炼炉中的真空度为1.3×10-3Pa。
3.根据权利要求1所述含稳定β相钛合金铸锭的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中翻面3次熔炼后得到成分均匀的一次锭。
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