一種生物醫(yī)用β型鈦合金棒材的熱處理方法與流程

本發(fā)明屬于鈦合金材料加工技術領域，具體涉及一種生物醫(yī)用β型鈦合金棒材的熱處理方法。

背景技術：

對于生物醫(yī)療用鈦合金，全球近年來的發(fā)展趨勢為：1、無毒性(不含al、v等元素)；2、低彈性模量(越接近人體骨骼的30gpa左右越好)。ti-mo系合金彈性模量最低約為50gpa，是理想的植入材料。ti-15mo(unsr58150)合金是一種β型鈦合金，經(jīng)過多年的研究開發(fā)，發(fā)現(xiàn)該合金彈性模量低、強度高、抗疲勞性能優(yōu)越且生物相容性良好，在醫(yī)療領域應用的優(yōu)勢非常明顯，1998年正式開始在醫(yī)療領域臨床應用。

ti-15mo合金有三種交付狀態(tài)，betaannealedcondition(β區(qū)退火態(tài))、alphaplusbetaannealedcondition(兩相區(qū)退火態(tài))、alphaplusbetaannealedplusagedcondition(固溶時效態(tài))。betaannealed條件下合金可獲得完整的再結晶β相組織，合金彈性模量較低。alphaplusbetaannealed條件下合金的強度和塑性都會非常好。alphaplusbetaannealedplusaged條件下合金會獲得高抗拉強度和疲勞強度，且性能水平優(yōu)于ti6al4v(eli)。但ti-15mo合金對熱處理制度和處理參數(shù)較為敏感，因此，開發(fā)一種有效的生物醫(yī)用β型鈦合金棒材的熱處理方法十分必要。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種生物醫(yī)用β型鈦合金棒材的熱處理方法，用于對φ9.5mm～φ25mm規(guī)格的ti-15mo合金進行熱處理，獲得組織均勻、性能穩(wěn)定的ti-15mo鈦合金棒材。

本發(fā)明所采用的技術方案是：一種生物醫(yī)用β型鈦合金棒材的熱處理方法，具體包括以下步驟：

步驟1，制備橫、縱向組織均勻的φ9.5mm～φ25mm規(guī)格ti-15mo棒坯；

步驟2，熱處理：

將步驟1制得的ti-15mo棒坯置于熱處理爐中，在betaannealed條件下或者alphaplusbetaannealed條件下熱處理；

步驟3，對熱處理后的棒坯加熱矯直，磨削加工至成品。

本發(fā)明的特點還在于，

步驟2中betaannealed條件下熱處理，具體為：將棒坯在β轉變溫度以上加熱、保溫，出爐后水冷。

加熱溫度為β轉變溫度以上30℃～50℃，保溫時間為40min～80min。

水冷所使用的冷卻水水溫不大于50℃，棒坯轉移入水時間不大于10s，水平入水。

步驟3中加熱矯直溫度為β轉變溫度以上20℃～30℃。

步驟2中alphaplusbetaannealed條件下熱處理，具體為：將棒坯在β轉變溫度以下加熱、保溫，出爐后空冷。

加熱溫度為β轉變溫度以下160℃～180℃，保溫時間為300min～360min。

步驟3中加熱矯直溫度為β轉變溫度以下40℃～50℃。

本發(fā)明的有益效果是，一種生物醫(yī)用β型鈦合金棒材的熱處理方法，針對ti-15mo鈦合金的本身的性能特點，通過選擇合適的熱處理溫度、保溫時間、并嚴格控制操作過程，來實現(xiàn)棒材的組織和性能的優(yōu)化。ti-15mo鈦合金對熱處理參數(shù)較為敏感，溫度過低或者保溫時間過短，棒材的再結晶程度不夠，達不到使用要求；溫度過高或者保溫時間太長，晶粒長大，棒材室溫拉伸塑性數(shù)據(jù)降低，綜合力學性能不佳，故選擇合適的熱處理制度，既可以保證材料完成再結晶，滿足使用要求，又可高效低耗完成棒材熱處理，得到組織均勻，綜合性能良好的ti-15mo棒材。

附圖說明

圖1是本發(fā)明熱處理得到的狀態(tài)1(betaannealedcondition(β區(qū)退火態(tài)))的ti-15mo鈦合金棒材的橫向組織高倍圖；

圖2是本發(fā)明熱處理得到的狀態(tài)1(betaannealedcondition(β區(qū)退火態(tài)))的ti-15mo鈦合金棒材的室溫力學性能；

圖3是本發(fā)明熱處理得到的狀態(tài)2(alphaplusbetaannealedcondition(兩相區(qū)退火態(tài)))的ti-15mo鈦合金棒材的橫向組織高倍圖；

圖4是本發(fā)明熱處理得到的狀態(tài)2(alphaplusbetaannealedcondition(兩相區(qū)退火態(tài)))的ti-15mo鈦合金棒材的室溫力學性能。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明一種生物醫(yī)用β型鈦合金棒材的熱處理方法，用于對φ9.5mm～φ25mm規(guī)格的ti-15mo合金進行熱處理，具體包括以下步驟：

步驟1，制備橫、縱向組織均勻的φ9.5mm～φ25mm規(guī)格ti-15mo棒坯。

步驟2，將ti-15mo棒坯置于熱處理爐中進行熱處理：

熱處理爐為ⅲ類爐，有效加熱區(qū)溫度均勻性不低于±10℃，控溫儀準確度不低于0.3級；ti-15mo棒坯的熱處理過程為betaannealed條件下處理或者alphaplusbetaannealed條件下處理。

1)betaannealed條件下處理：采用ⅲ類熱處理爐，在β轉變溫度以上30℃～50℃，保溫時間為40min～80min，處理后水冷。熱處理爐有效區(qū)控溫儀表均達設定溫度后，棒坯裝爐，爐溫再次到達設定溫度后保溫開始，爐門開啟即保溫結束；快速出爐，棒坯轉移入水時間不大于10s，水平入水，冷卻水水溫不大于50℃。熱處理后棒材在β轉變溫度以上20℃～30℃熱矯直，磨削加工至成品棒材。

在該條件下熱處理制備得到的ti-15mo鈦合金棒材，組織均勻，彈性模量低，綜合性能良好，適合關節(jié)系統(tǒng)等對強度和塑性均有要求的產(chǎn)品。

2)alphaplusbetaannealed條件下處理：采用ⅲ類熱處理爐，在β轉變溫度以下160℃～180℃，保溫300min～360min，保溫結束后空冷至室溫。熱處理爐有效區(qū)控溫儀表均達設定溫度后，棒坯裝爐，爐溫再次到達設定溫度后保溫開始，爐門開啟即保溫結束；棒坯出爐轉移至冷床，水平放置，空冷至室溫。熱處理后棒材在β轉變溫度以下40℃～50℃熱矯直，磨削加工至成品棒材。

在該條件下熱處理制備得到ti-15mo鈦合金棒材，組織均勻，強度較高，適合齒科等承力部件的產(chǎn)品要求。

ti-15mo鈦合金對熱處理參數(shù)較為敏感，溫度過低或者保溫時間過短，棒材的再結晶程度不夠，達不到使用要求；溫度過高或者保溫時間太長，晶粒長大，棒材室溫拉伸塑性數(shù)據(jù)降低，綜合力學性能不佳，故選擇合適的熱處理制度，既可以保證材料完成再結晶，滿足使用要求，又可高效低耗完成棒材熱處理，得到組織均勻，綜合性能良好的ti-15mo棒材。

圖1是采用本發(fā)明方法制備得到的狀態(tài)1(betaannealedcondition(β區(qū)退火態(tài)))ti-15mo鈦合金棒材的橫向組織高倍圖，從圖中可以看出，棒材高倍組織為完整的再結晶β相組織，均勻細小，圖2是此狀態(tài)下的棒材的室溫力學性能，合金棒材有較低的彈性模量和良好的綜合力學性能。圖3是采用本發(fā)明方法制備得到的狀態(tài)2(alphaplusbetaannealedcondition(兩相區(qū)退火態(tài)))ti-15mo鈦合金棒材的橫向組織高倍圖，從圖中可以看出棒材的橫向組織細小均勻，α+β相彌散分布，圖4是此狀態(tài)下的棒材的室溫力學性能，合金棒材強度較高，塑性良好，延伸率達20％，優(yōu)于ti6al4v(eli)等常規(guī)植入用鈦合金10％的指標，耐磨，在生物醫(yī)用領域有良好應用前景。

實施例1

步驟1，制備橫、縱向組織均勻的φ25mm規(guī)格ti-15mo棒坯，棒材β轉變溫度為750℃。

步驟2，步驟1得到的棒材，在betaannealed條件下處理，得到狀態(tài)1的棒材。設定熱處理制度為：780℃下保溫80min，出爐水冷。操作時，熱處理爐控溫儀表設定溫度為780℃，超溫保護儀表設定溫度為790℃。熱處理爐有效區(qū)控溫儀表均達780℃后，棒坯裝爐；控溫儀表再次達780℃，保溫開始；保溫80min后，開爐門，保溫結束；棒坯出爐，在10s時水平入水槽，冷卻水為流動水，水溫控制在30℃左右，熱處理后棒材在770℃下加熱矯直，磨削加工至成品棒材。

或者將步驟1得到的棒材，在alphaplusbetaannealed條件下處理，得到狀態(tài)2的棒材。設定熱處理制度為：590℃下保溫360min，出爐空冷至室溫。熱處理爐控溫儀表設定溫度為590℃，超溫保護儀表設定溫度為600℃；熱處理爐有效區(qū)控溫儀表均達590℃后，棒坯裝爐；控溫儀表再次達590℃，保溫開始；保溫360min后，開爐門，保溫結束；棒坯出爐，轉移至冷床，水平放置，空冷至室溫；熱處理后棒材在710℃下加熱矯直，磨削加工至成品棒材。

實施例2

步驟1，制備組織均勻的φ9.5mm規(guī)格ti-15mo棒坯，棒材β轉變溫度為755℃。

步驟2，將步驟1得到的棒材，在betaannealed條件下處理，得到狀態(tài)1的棒材。設定熱處理制度為：795℃下保溫40min，出爐水冷。熱處理爐控溫儀表設定溫度為795℃，超溫保護儀表設定溫度為805℃；熱處理爐有效區(qū)控溫儀表均達795℃后，棒坯裝爐；控溫儀表再次達795℃，保溫開始；保溫40min后，開爐門，保溫結束；棒坯出爐，在6s時水平入水槽，冷卻水為流動水，水溫為40℃；熱處理后棒材在780℃下加熱矯直，磨削加工至成品棒材。

或者將步驟1得到的棒材，在alphaplusbetaannealed條件下處理，得到狀態(tài)2的棒材。設定熱處理制度為：590℃下保溫300min，出爐空冷至室溫。熱處理爐控溫儀表設定溫度為590℃，超溫保護儀表設定溫度為600℃；熱處理爐有效區(qū)控溫儀表均達590℃后，棒坯裝爐；控溫儀表再次達590℃，保溫開始；保溫300min后，開爐門，保溫結束；棒坯出爐，轉移至冷床，水平放置，空冷至室溫；熱處理后棒材在710℃下加熱矯直，磨削加工至成品棒材。

實施例3

步驟1，制備組織均勻的φ18mm規(guī)格ti-15mo棒坯，棒材β轉變溫度為750℃。

步驟2，步驟1得到的棒材，在betaannealed條件下處理，得到狀態(tài)1的棒材。設定熱處理制度為：800℃下保溫60min，出爐水冷。熱處理爐控溫儀表設定溫度為800℃，超溫保護儀表設定溫度為810℃；熱處理爐有效區(qū)控溫儀表均達800℃后，棒坯裝爐；控溫儀表再次達800℃，保溫開始；保溫60min后，開爐門，保溫結束；棒坯出爐，在8s時水平入水槽，冷卻水為流動水，水溫為50℃；熱處理后棒材在780℃下加熱矯直，磨削加工至成品棒材。

或者將步驟1得到的棒材，在alphaplusbetaannealed條件下處理，得到狀態(tài)2的棒材。設定熱處理制度為：570℃下保溫330min，出爐空冷至室溫。熱處理爐控溫儀表設定溫度為570℃，超溫保護儀表設定溫度為580℃；熱處理爐有效區(qū)控溫儀表均達570℃后，棒坯裝爐；控溫儀表再次達570℃，保溫開始；保溫330min后，開爐門，保溫結束；棒坯出爐，轉移至冷床，水平放置，空冷至室溫；熱處理后棒材在700℃下加熱矯直，磨削加工至成品棒材。