CN116765163A - 一种医用超声刀tc4eli钛合金丝材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金加工技术领域，公开了一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法，包括：按照配比称取原材料，将原材料混合并压制成电极块，将电极块熔炼成铸锭；将铸锭进行去除冒口处理得到第一铸锭；将第一铸锭加热至β相变点以上50℃至120℃保温90min至270min后进行锻造得到第二铸锭；对第二铸锭的表面进行修磨、多火次的墩拔锻造、精锻、轧制、拉拔以及矫直得到第三铸锭；对第三铸锭进行修磨得到原始坯料；将原始坯料加热至β相变点以下60℃至180℃保温60min至150min后，多道次轧制得到φ9.0mm至φ14.0mm棒坯；将棒坯加热至再结晶温度以上保温，经过多道次的热拉拔得到TC4ELI钛合金丝材；退火处理TC4ELI钛合金丝材；矫直磨削TC4ELI钛合金丝材。本申请提升了TC4ELI钛合金丝材的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及涉及钛合金加工技术领域，特别是涉及一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法。
背景技术
随着医疗水平的不断发展，临床医用外科超声手术刀具有精准切割、止血快、创伤面小、术后恢复快的特点，已成为外科手术的发展趋势。常用于乳腺外科手术、腹部外科手术、肝胆外科手术、微创妇科手术、五官科手术、头颈科手术、胸外科手术、泌尿外科微创手术等。相对于传统的电刀，医用外科超声手术刀在现有的技术水平上，极大程度的减少了疾病带给患者的疼痛。
超声刀作为微创手术常用的手术器械，具有边切割边止血的作用，具有良好的止血效果、精确切割、安全、术后恢复快、无损伤、最小的侧热损伤的优点，可以极大地减少病人的痛苦。超声刀用棒丝材主要用于医用超声刀，是利用超声波发生器将电信号转换为高频振荡信号传递给换能器，再由换能器将高频振荡信号转换为高频机械信号产生高频机械振动，并通过变幅杆的作用将振幅放大，最后把机械振动传递到连接变幅杆的超声刀部分，进而接触生物组织，对所需切割部位进行精准有效的切割或者凝血。
目前超声手术刀刀杆主要为TC4ELI合金丝材，常见为Φ5mm、Φ6mm两种规格，TC4ELI合金具有较高的比强度、优异的耐蚀性能以及良好的生物相容性，因此在化工、航空航天、生物医学等有着广泛的应用。现有的超声手术刀选择在一定的工作频率范围内，要求材料的阻抗较小，疲劳性能提升，超声刀刀杆的能量传递效率提升，但是目前针对上述的各项性能与国外产品还存在差异，导致超声手术刀切割过程中产生消叫声，无法精准切割，因此在上述性能各方面要求下调控材料的组织显得尤为重要。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的至少一种问题，本发明提供一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法。
本发明实施例提供的一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法，TC4ELI钛合金丝材，包括如下六个步骤：
步骤一：铸锭熔炼，铸锭熔炼包括：按照配比称取原材料，将原材料混合并压制成电极块，将所述电极块熔炼成铸锭；
步骤二：锻造，锻造包括：将铸锭进行去除冒口处理得到第一铸锭；将第一铸锭加热至β相变点以上50℃至120℃保温90min至270min后进行锻造得到第二铸锭；对第二铸锭的表面进行修磨、多火次的墩拔锻造、精锻、轧制、拉拔以及矫直得到第三铸锭；对第三铸锭进行修磨得到原始坯料；
步骤三：热轧制，热轧制包括：将原始坯料加热至β相变点以下60℃至180℃保温60min至150min后，多道次轧制得到φ9.0mm至φ14.0mm棒坯；
步骤四：热拉拔，热拉拔包括：将所述棒坯加热至再结晶温度以上保温，经过多道次的热拉拔得到TC4ELI钛合金丝材；
步骤五：退火处理，退火处理包括：退火处理TC4ELI钛合金丝材；
步骤六：矫直磨削，矫直磨削包括：矫直磨削退火处理后的所述TC4ELI钛合金丝材。
进一步地，上述一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法中，按照配比称取原材料中称取的原材料中的Al含量为5.5％至6.5％，原材料中的V含量为3.5％至4.5％，原材料中的Fe含量为≤0.22％，原材料中的C含量为≤0.08％,原材料中的N含量为≤0.06％，原材料中的O含量为≤0.2％,原材料中的H含量为≤0.02％，其余为Ti，所述原材料中的杂质含量均低于预设阈值。
进一步地，上述一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法中，退火处理TC4ELI钛合金丝材，包括：
将TC4ELI钛合金丝材加热至650℃至800℃后，保温0.5h至2h后进行空冷处理。
进一步地，上述一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法中，步骤二中，多火次的墩拔锻造、精锻、轧制、拉拔以及矫直得到第三铸锭，第三铸锭的径向总变形量达85％至98％。
进一步地，上述一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法中，步骤六中的TC4ELI钛合金丝材的室温性能为：抗拉强度Rm≥950Mpa，屈服强度Rp0.2≥870Mpa，伸长率≥10％，断面收缩率≥25％。
进一步地，上述一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法中，步骤六中的TC4ELI钛合金丝材的阻抗值为30至60欧姆。
进一步地，上述一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法中，步骤六中的TC4ELI钛合金丝材为α+β两相组织。
进一步地，上述一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法中，步骤六中的TC4ELI钛合金丝材的组织特征为横、纵向初生α相均为等轴形态，并且细小均匀，表面粗糙度≤1.2μm。
本发明有益效果在于：本发明实施例提供的本发明实施例提供的一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法，TC4ELI钛合金丝材包括如下六个步骤：步骤一：铸锭熔炼，所述铸锭熔炼包括：按照配比称取原材料，将原材料混合并压制成电极块，将电极块熔炼成铸锭；步骤二：锻造，锻造包括：将所述铸锭进行去除冒口处理得到第一铸锭；将第一铸锭加热至β相变点以上50℃至120℃保温90min至270min后进行锻造得到第二铸锭；对第二铸锭的表面进行修磨、多火次的墩拔锻造、精锻、轧制、拉拔以及矫直得到第三铸锭；对第三铸锭进行修磨得到原始坯料；步骤三：热轧制，热轧制包括：将原始坯料加热至β相变点以下60℃至180℃保温60min至150min后，多道次轧制得到φ9.0mm至φ14.0mm棒坯；步骤四：热拉拔，热拉拔包括：将棒坯加热至再结晶温度以上保温，经过多道次的热拉拔得到TC4ELI钛合金丝材；步骤五：退火处理，退火处理包括：退火处理TC4ELI钛合金丝材；步骤六：矫直磨削，矫直磨削包括：矫直磨削退火处理后的TC4ELI钛合金丝材。本申请通过锻造过程的高频率锻打引起的变形热，使TC4ELI钛合金丝材的热量分布更均匀，有效的提升了TC4ELI钛合金丝材的力学性能，并且通过高温锻造结合低温轧制的路线使得TC4ELI钛合金丝材的塑性改善良好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法得到的扫描组织示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵时做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1为本发明实施例提供的一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法流程示意图。
本发明实施例提供的一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法，TC4ELI钛合金丝材结合图1，包括如下六个步骤：
S101：铸锭熔炼，铸锭熔炼包括：按照配比称取原材料，将原材料混合并压制成电极块，将电极块熔炼成铸锭。
具体的，本申请实施例中，按照配比称取原材料中称取的原材料中的Al含量为5.5％至6.5％，原材料中的V含量为3.5％至4.5％，原材料中的Fe含量为≤0.22％，原材料中的C含量为≤0.08％,原材料中的N含量为≤0.06％，原材料中的O含量为≤0.2％,原材料中的H含量为≤0.02％，其余为Ti，原材料中的杂质含量均低于预设阈值。原材料中的杂质含量均低于预设阈值是低于国家标准下的阈值。
在一些实施例中，铸锭的制备方法为：按设计比例取零级海绵钛、Al块、Fe块和TiO2，混合后将其熔炼5次以上，即得TC4ELI合金铸锭。
S102：锻造，所述锻造包括：将铸锭进行去除冒口处理得到第一铸锭；将第一铸锭加热至β相变点以上50℃至120℃保温90min至270min后进行锻造得到第二铸锭；对第二铸锭的表面进行修磨、多火次的墩拔锻造、精锻、轧制、拉拔以及矫直得到第三铸锭；对第三铸锭进行修磨得到原始坯料。
具体的，本申请实施例中，多火次的墩拔锻造、精锻、轧制、拉拔以及矫直得到第三铸锭，第三铸锭的径向总变形量达85％至98％。
应理解，在实际操作过程中，锻造过程中的墩拔、拔长过程在空气中进行，热锻可以将熔炼后粗大晶粒的合金加热到相变点以上充分破碎。
S103：热轧制，热轧制包括：将原始坯料加热至β相变点以下60℃至180℃保温60min至150min后，多道次轧制得到φ9.0mm至φ14.0mm棒坯。
S104：热拉拔，热拉拔包括：将棒坯加热至再结晶温度以上保温，经过多道次的热拉拔得到TC4ELI钛合金丝材；
S105：退火处理，退火处理包括：退火处理TC4ELI钛合金丝材。
具体的，本申请实施例中，退火处理TC4ELI钛合金丝材，包括：将TC4ELI钛合金丝材加热至650℃至800℃后，保温0.5h至2h后进行空冷处理。
S106：矫直磨削，矫直磨削包括：矫直磨削退火处理后的TC4ELI钛合金丝材。
在一些实施例中，矫直磨削后还进行抛光处理TC4ELI钛合金丝材。
具体的，本申请实施例中，通过上述六个步骤制备得到TC4ELI钛合金丝材的抗拉强度满足≥950Mpa，屈服强度Rp0.2≥870Mpa，伸长率≥10％，断面收缩率≥25％，并且批次一致性、稳定性好，使得材料的疲劳寿命较高，解决了现有技术下手术切割过程中的消叫声问题，为手术顺利进行提供了保障，具有广泛的应用前景。
进一步地，上述一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法中，通过上述六个步骤制备得到TC4ELI钛合金丝材的的阻抗值为30至60欧姆。
图2为本发明实施例提供的一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法得到的扫描组织示意图。
进一步地，上述一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法中，结合图2，经过步骤一到步骤六的制备方法得到的TC4ELI钛合金丝材为α+β两相组织。
进一步地，上述一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法中，经过步骤一到步骤六的制备方法得到的的TC4ELI钛合金丝材的组织特征为横、纵向初生α相均为等轴形态，并且细小均匀，表面粗糙度≤1.2μm。
具体的，本申请实施例中，通过调控α和β两相含量及大小进而控制TC4ELI钛合金丝材的阻抗演变，β约占百分之十，改变其超声波的能量传递效率，增强超声刀刀杆的使用寿命。
下文结合三个实施例介绍一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法。
实施例1
本实施例提供了一种医用手术超声刀TC4ELI钛合金丝材，按照配比称取原材料中称取的原材料以质量百分数计，称取的原材料中的Al的含量为6.5％，V的含量为4.3％，Fe的含量为0.14％，C的含量为0.009％，N的含量为0.006％，O的含量为0.112％，H的含量为0.008％，余量为钛和不可避免的杂质。所得铸锭经过超声探伤后，表面扒皮、去除冒口得到第一铸锭，再将第一铸锭经电炉加热至1050℃以上后，进行开坯锻造得到第二铸锭；再经电炉加热至950℃～1000℃，进行多火次换向墩拔，在精锻至所需棒坯尺寸φ55mm，在线矫直得到第三铸锭；对第三铸锭进行缺陷修磨得到原始坯料。原始坯料在两相区加热，进行多道次热轧制，变形至φ9.5mm棒坯。将棒坯进行加热至900℃拉拔至φ6.6mmTC4ELI钛合金丝材，然后空冷至室温，在退火炉中进行热处理，热处理温度为760℃，保温时间为60min，保温结束后空冷至室温，最后进行矫直、磨削、抛光处理，所得TC4ELI钛合金丝材的组织为α+β两相组织。
经测试实施例1中的抗拉强度为1060Mpa，屈服强度为940Mpa，伸长率为18％，断面收缩率为49％，阻抗值为32欧姆。
实施例2
本实施例提供了一种医用手术超声刀TC4ELI钛合金丝材，按照配比称取原材料中称取的原材料以质量百分数计，称取的原材料中的Al的含量为6.3％，V的含量为4.12％，Fe的含量为0.13％，C的含量为0.009％，N的含量为0.007％，O的含量为0.109％，H的含量为0.007％，余量为钛和不可避免的杂质。所得铸锭经过超声探伤后，表面扒皮、去除冒口得到第一铸锭，再将第一铸锭经电炉加热至1070℃以上后，进行开坯锻造得到第二铸锭；再经电炉加热至950℃～1000℃，进行多火次换向墩拔，在精锻至所需棒坯尺寸φ55mm，在线矫直得到第三铸锭；对第三铸锭进行缺陷修磨得到原始坯料。所得原始坯料在两相区加热，进行多道次热轧制，变形至φ9.5mm棒坯。将棒坯进行加热至880℃拉拔至φ6.6mmTC4ELI钛合金丝材，然后空冷至室温，在退火炉中进行热处理，热处理温度为750℃，保温时间为60min，保温结束后空冷至室温，最后进行矫直、磨削、抛光处理，所得TC4ELI钛合金丝材的组织为α+β两相组织。
经测试实施例2中的抗拉强度为1043Mpa，屈服强度为925Mpa，伸长率为17％，断面收缩率为51％，阻抗值为33欧姆。
实施例3
本实施例提供了一种医用手术超声刀TC4ELI钛合金丝材，按照配比称取原材料中称取的原材料以质量百分数计，称取的原材料中的Al的含量为6.4％，V的含量为4.23％，Fe的含量为0.15％，C的含量为0.008％，N的含量为0.009％，O的含量为0.125％，H的含量为0.007％，余量为钛和不可避免的杂质。所得铸锭经过超声探伤后，表面扒皮、去除冒口得到第一铸锭，再将第一铸锭经电炉加热至1030℃以上后，进行开坯锻造得到第二铸锭；再经电炉加热至950℃～1000℃，进行多火次换向墩拔，在精锻至所需棒坯尺寸φ55mm，在线矫直得到第三铸锭；对第三铸锭进行缺陷修磨得到原始坯料。所得原始坯料在两相区加热，进行多道次热轧制，变形至φ9.5mm棒坯。将棒坯进行加热至860℃拉拔至φ6.6mmTC4ELI钛合金丝材，然后空冷至室温，在退火炉中进行热处理，热处理温度为780℃，保温时间为60min，保温结束后空冷至室温，最后进行矫直、磨削、抛光处理，所得TC4ELI钛合金丝材的组织为α+β两相组织。
经测试实施例3中的抗拉强度为1026Mpa，屈服强度为917Mpa，伸长率为20％，断面收缩率为50％，阻抗值为35欧姆。
由上可知，实例1至3制得的TC4ELI钛合金丝材的力学性能差异较小，性能优异，稳定性较好。并且α和β两相含量及晶粒尺寸细小均匀、等轴化明显，进而控制其材料的阻抗演变，改变了TC4ELI钛合金丝材的超声波的能量传递效率，增强超声刀刀杆的使用寿命。
本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。
本领域的技术人员能够理解，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法，其特征在于，包括如下六个步骤：
步骤一：铸锭熔炼，所述铸锭熔炼包括：按照配比称取原材料，将所述原材料混合并压制成电极块，将所述电极块熔炼成铸锭；
步骤二：锻造，所述锻造包括：将所述铸锭进行去除冒口处理得到第一铸锭；将所述第一铸锭加热至β相变点以上50℃至120℃保温90min至270min后进行锻造得到第二铸锭；对所述第二铸锭的表面进行修磨、多火次的墩拔锻造、精锻、轧制、拉拔以及矫直得到第三铸锭；对所述第三铸锭进行修磨得到原始坯料；
步骤三：热轧制，所述热轧制包括：将所述原始坯料加热至β相变点以下60℃至180℃保温60min至150min后，多道次轧制得到φ9.0mm至φ14.0mm棒坯；
步骤四：热拉拔，所述热拉拔包括：将所述棒坯加热至再结晶温度以上保温，经过多道次的热拉拔得到TC4ELI钛合金丝材；
步骤五：退火处理，所述退火处理包括：退火处理所述TC4ELI钛合金丝材；
步骤六：矫直磨削，所述矫直磨削包括：矫直磨削所述退火处理后的所述TC4ELI钛合金丝材。
2.根据权利要求1所述的一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法，其特征在于，所述按照配比称取原材料中称取的原材料中的Al含量为5.5％至6.5％，原材料中的V含量为3.5％至4.5％，原材料中的Fe含量为≤0.22％，原材料中的C含量为≤0.08％,原材料中的N含量为≤0.06％，原材料中的O含量为≤0.2％,原材料中的H含量为≤0.02％，其余为Ti，所述原材料中的杂质含量均低于预设阈值。
3.根据权利要求1所述的一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法，其特征在于，所述退火处理所述TC4ELI钛合金丝材，包括：
将所述TC4ELI钛合金丝材加热至650℃至800℃后，保温0.5h至2h后进行空冷处理。
4.根据权利要求1所述的一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，所述多火次的墩拔锻造、精锻、轧制、拉拔以及矫直得到第三铸锭，所述第三铸锭的径向总变形量达85％至98％。
5.根据权利要求1所述的一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤六中的TC4ELI钛合金丝材的室温性能为：抗拉强度Rm≥950Mpa，屈服强度Rp0.2≥870Mpa，伸长率≥10％，断面收缩率≥25％。
6.根据权利要求1所述的一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤六中的TC4ELI钛合金丝材的阻抗值为30至60欧姆。
7.根据权利要求1所述的一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤六中的TC4ELI钛合金丝材为α+β两相组织。
8.根据权利要求1所述的一种医用超声刀TC4ELI钛合金丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤六中的TC4ELI钛合金丝材的组织特征为横、纵向初生α相均为等轴形态，并且细小均匀，表面粗糙度≤1.2μm。
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