CN104878245B - 一种生物医用高强韧性Ti‑6Al‑4V钛合金棒材及其制备方法 - Google Patents
一种生物医用高强韧性Ti‑6Al‑4V钛合金棒材及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种生物医用高强韧性Ti‑6Al‑4V钛合金棒材，按质量百分比由以下元素组成：Al 6.0％～6.3％，V 4.0％～4.3％，O 0.16％～0.18％，Fe 0.18％～0.25％，Ti 88.97％～89.66％，以上元素的含量之和为百分之百，本发明制得的棒材具有高硬度、高韧性和高强度的特点，能够广泛应用于医用脊柱顶丝固定***；本发明还公开了上述棒材的制备方法：制备铸锭‑锻造、拔长为方坯、轧制为棒材、热处理、精加工，能够实现批量化生产高强韧性且力学性能一致性较好的钛合金棒材，有效提高了高韧性钛合金棒材的生产效率。
Description
技术领域
本发明属于金属材料制备技术领域，涉及一种生物医用高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材，本发明还涉及上述钛合金棒材的制备方法。
背景技术
钛及钛合金具有优良的弹性模量，并且，具有与人体骨骼相近、耐腐蚀的特点，其生物与力学相容性优异，特别适于制作医学外科植入物，被广泛应用于外科矫形手术中。钛合金通常作为受力器件植入体内，如脊柱顶丝，螺钉，骨钉等，其中Ti-6Al-4V钛合金由于具有高强度、高韧性等优异的机械性能，是一种理想的外科植入物材料。由于脊柱顶丝(直径范围10～10.5mm)固定***与U型钉、矫形棒配合使用，手术时需要拧入U型槽内，操作过程中受到较大的扭转应力，必须采用具备高强(Rm≥1000MPa)、高硬(Hardness≥310HV)、高韧性(A≥15％)等力学性能的材料，从而有效保证固定后在长期的服役过程中不发生移位现象，起到有效连接和固定脊柱的作用。但目前，我国生产出的Ti-6Al-4V钛合金高强度下塑性低和硬度低，尚无法批量化的生产出具有高强韧性且力学性能一致性较好的产品。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物医用高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材，解决了现有Ti-6Al-4V钛合金高强度下塑性低和硬度低的问题。
本发明的另一目的是提供该高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材的制备方法，从而制备出具有高强韧性且力学性能一致性较好的钛合金产品。
本发明所采用的技术方案是，
一种生物医用高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材，按质量百分比由以下元素组成：Al6.0％～6.3％，V 4.0％～4.3％，O 0.16％～0.18％，Fe 0.18％～0.25％，Ti 88.97％～89.66％，以上元素的含量之和为百分之百。
本发明所采用的另一技术方案是，上述高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：制备铸锭：将海绵钛、铝钒合金、铝豆作为原料，按照各元素含量范围：Al6.0％～6.3％，V 4.0％～4.3％，O 0.16％～0.18％，Fe 0.18％～0.25％，Ti 88.97％～89.66％进行配料计算，并分别称取上述原料后混合，然后采用油压机压制成电极块，再使用真空自耗电弧熔炼炉经三次熔炼，制得铸锭；
步骤2：锻造、拔长为方坯：将经步骤1制得的铸锭采用燃气炉进行开坯锻造和拔长工序，制得方坯；
步骤3：轧制为棒材：将经步骤2制得的方坯进行两火次大变形轧制，制得棒材；
步骤4：热处理：将经步骤3制得的棒材进行应力退火处理，退火温度为650～750℃，退火时间为1～2h；
步骤5：精加工：将经步骤4处理后的棒材先经过两辊热矫直工序处理，其中，加热温度为500～750℃，保温时间为8～10min；然后经磨削处理工序加工至尺寸公差为H9～H7，最后采用抛光机进行抛光处理，抛光至棒材表面光亮为止，制得高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材。
本发明另一技术方案的特点还在于，
步骤2的具体步骤为：采用多火次换向墩拔，加热温度为1050～1150℃，保温时间为200～240min，使铸锭直径减为200～220mm；然后进行一火次的拔长工序，加热温度1000～1050℃，终锻温度900～950℃，保温时间200min。
步骤3的具体步骤为：第一火次大变形轧制为：采用电炉加热，加热温度930～950℃，保温时间80min，终轧温度为800～850℃，使方坯直径减为50mm；第二火次大变形轧制为：采用电炉加热，加热温度890～910℃，保温时间60min，终轧温度750～800℃。
制得的高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材，其中Al含量为6.0％～6.3％，V含量为4.0％～4.3％，O含量为0.16％～0.18％，Fe含量为0.18％～0.25％，Ti含量为88.97％～89.66％。
制得的高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材，抗拉强度不小于1000Mpa、延伸率不小于15％，硬度不小于310HV。
本发明的有益效果是：
一种生物医用高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材，通过严格控制铸锭的各关键元素Al、V、Fe、O的成分范围，使制得的棒材具有高硬度、高韧性和高强度的特点，能够广泛应用于医用脊柱顶丝固定***；
一种生物医用高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材的制备方法：通过制备铸锭、锻造、拔长为方坯、锻造、拔长为方坯、热处理和精加工工序，能够实现批量化生产高强韧性且力学性能一致性较好的钛合金棒材，有效提高了高韧性钛合金棒材的生产效率。
具体实施方式
本发明一种生物医用高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材的制备方法，具体实施步骤如下：
步骤1：制备铸锭：将海绵钛、铝钒合金、铝豆按作为原料，按照各元素含量范围：Al6.0％～6.3％，V 4.0％～4.3％，O 0.16％～0.18％，Fe 0.18％～0.25％，Ti 88.97％～89.66％进行配料计算，并分别称取上述原料后混合，然后采用3500t油压机压制成电极块，再使用真空自耗电弧熔炼炉经三次熔炼制备出直径为460mm铸锭，制得铸锭；
步骤2：锻造、拔长为方坯：将经步骤1制得的铸锭采用燃气炉进行开坯锻造和拔长工序，采用多火次换向墩拔，加热温度为1050～1150℃，保温时间为200～240min，使铸锭直径减为200～220mm；然后进行一火次的拔长工序，加热温度1000～1050℃，终锻温度900～950℃，保温时间200min，制得直径为120mm的方坯；
步骤3：轧制为棒材：将经步骤2制得的方坯进行两火次大变形轧制，第一火次大变形轧制为：采用电炉加热，加热温度930～950℃，保温时间80min，终轧温度为800～850℃，使方坯直径减为50mm；第二火次大变形轧制为：采用电炉加热，加热温度890～910℃，保温时间60min，终轧温度750～800℃，制得直径为11.5mm的棒材；
步骤4：热处理：将经步骤3制得的棒材进行应力退火处理，退火温度为650～750℃，退火时间为1～2h；
步骤5：精加工：将经步骤4处理后的棒材先经过两辊热矫直工序处理，其中，加热温度为500～750℃，保温时间为8～10min；然后经磨削处理工序加工至尺寸公差为H9～H7，最后采用抛光机进行抛光处理，抛光至棒材表面光亮为止，制得高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材，，其中Al含量为6.0％～6.3％，V含量为4.0％～4.3％，O含量为0.16％～0.18％，Fe含量为0.18％～0.25％，Ti含量为88.97％～89.66％，抗拉强度不小于1000Mpa、延伸率不小于15％，硬度不小于310HV。
实施例1
制备铸锭：制备铸锭：将海绵钛、铝钒合金、铝豆按作为原料，按照各元素含量范围：Al 6.0％，V 4.0％，O 0.16％，Fe 0.18％，Ti 88.97％进行配料计算，并分别称取上述原料后混合，然后采用3500t油压机压制成电极块，再使用真空自耗电弧熔炼炉经三次熔炼制备出直径为460mm铸锭，制得铸锭；将制得的铸锭采用燃气炉进行开坯锻造和拔长工序，采用多火次换向墩拔，加热温度为1050℃，保温时间为200min，使铸锭直径减为200mm；然后进行一火次的拔长工序，加热温度1000℃，终锻温度900℃，保温时间200min，制得直径为120mm的方坯；将制得的方坯进行两火次大变形轧制，第一火次大变形轧制为：采用电炉加热，加热温度930℃，保温时间80min，终轧温度为800℃，使方坯直径减为50mm；第二火次大变形轧制为：采用电炉加热，加热温度890℃，保温时间60min，终轧温度750℃，制得直径为11.5mm的棒材；将制得的棒材进行应力退火处理，退火温度为650℃，退火时间为1h；将处理后的棒材先经过两辊热矫直工序处理，其中，加热温度为500℃，保温时间为8min；然后经磨削处理工序加工至尺寸公差为H9，最后采用抛光机进行抛光处理，抛光至棒材表面光亮为止，制得高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材，其中Al含量为6.0％，V含量为4.0％，O含量为0.16％，Fe含量为0.18％，Ti含量为89.66％，抗拉强度1000Mpa、延伸率15％，硬度310HV。
实施例2
制备铸锭：制备铸锭：将海绵钛、铝钒合金、铝豆按作为原料，按照各元素含量范围：Al 6.2％，V 4.2％，O 0.17％，Fe 0.22％，Ti 89.21％进行配料计算，并分别称取上述原料后混合，然后采用3500t油压机压制成电极块，再使用真空自耗电弧熔炼炉经三次熔炼制备出直径为460mm铸锭，制得铸锭；将制得的铸锭采用燃气炉进行开坯锻造和拔长工序，采用多火次换向墩拔，加热温度为1100℃，保温时间为220min，使铸锭直径减为210mm；然后进行一火次的拔长工序，加热温度1025℃，终锻温度925℃，保温时间200min，制得直径为120mm的方坯；将制得的方坯进行两火次大变形轧制，第一火次大变形轧制为：采用电炉加热，加热温度940℃，保温时间80min，终轧温度为825℃，使方坯直径减为50mm；第二火次大变形轧制为：采用电炉加热，加热温度900℃，保温时间60min，终轧温度780℃，制得直径为11.5mm的棒材；将制得的棒材进行应力退火处理，退火温度为700℃，退火时间为1.5h；将处理后的棒材先经过两辊热矫直工序处理，其中，加热温度为650℃，保温时间为9min；然后经磨削处理工序加工至尺寸公差为H8，最后采用抛光机进行抛光处理，抛光至棒材表面光亮为止，制得高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材，其中Al含量为6.2％，V含量为4.2％，O含量为0.17％，Fe含量为0.22％，Ti含量为89.21％，抗拉强度不小于1100Mpa、延伸率不小于16％，硬度不小于320HV。
实施例3
制备铸锭：制备铸锭：将海绵钛、铝钒合金、铝豆按作为原料，按照各元素含量范围：Al 6.3％，V 4.3％，O 0.18％，Fe 0.25％，Ti 88.97％进行配料计算，并分别称取上述原料后混合，然后采用3500t油压机压制成电极块，再使用真空自耗电弧熔炼炉经三次熔炼制备出直径为460mm铸锭，制得铸锭；将制得的铸锭采用燃气炉进行开坯锻造和拔长工序，采用多火次换向墩拔，加热温度为1150℃，保温时间为240min，使铸锭直径减为220mm；然后进行一火次的拔长工序，加热温度1050℃，终锻温度950℃，保温时间200min，制得直径为120mm的方坯；将制得的方坯进行两火次大变形轧制，第一火次大变形轧制为：采用电炉加热，加热温度950℃，保温时间80min，终轧温度为850℃，使方坯直径减为50mm；第二火次大变形轧制为：采用电炉加热，加热温度910℃，保温时间60min，终轧温度800℃，制得直径为11.5mm的棒材；将制得的棒材进行应力退火处理，退火温度为750℃，退火时间为2h；将处理后的棒材先经过两辊热矫直工序处理，其中，加热温度为750℃，保温时间为10min；然后经磨削处理工序加工至尺寸公差为H7，最后采用抛光机进行抛光处理，抛光至棒材表面光亮为止，制得高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材，其中Al含量为6.3％，V含量为4.3％，O含量为0.18％，Fe含量为0.25％，Ti含量为89.97％，抗拉强度不小于1200Mpa、延伸率不小于17％，硬度不小于330HV。
Claims (4)
1.一种生物医用高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：制备铸锭：将海绵钛、铝钒合金、铝豆作为原料，按照各元素含量范围：Al 6.0％～6.3％，V 4.0％～4.3％，O 0.16％～0.18％，Fe 0.18％～0.25％，Ti 88.97％～89.66％进行配料计算，并分别称取上述原料后混合，然后采用油压机压制成电极块，再使用真空自耗电弧熔炼炉经三次熔炼，制得铸锭；
步骤2：锻造、拔长为方坯：将经步骤1制得的铸锭采用燃气炉进行开坯锻造和拔长工序，制得方坯，具体为：采用多火次换向墩拔，加热温度为1050～1150℃，保温时间为200～240min，使铸锭直径减为200～220mm；然后进行一火次的拔长工序，加热温度1000～1050℃，终锻温度900～950℃，保温时间200min；
步骤3：轧制为棒材：将经步骤2制得的方坯进行两火次大变形轧制，制得棒材；
步骤4：热处理：将经步骤3制得的棒材进行应力退火处理，退火温度为650～750℃，退火时间为1～2h；
步骤5：精加工：将经步骤4处理后的棒材先经过两辊热矫直工序处理，其中，加热温度为500～750℃，保温时间为8～10min；然后经磨削处理工序加工至尺寸公差为H9～H7，最后采用抛光机进行抛光处理，抛光至棒材表面光亮为止，制得高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材。
2.根据权利要求1所述的一种生物医用高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材 的制备方法，其特征在于，所述步骤3的具体步骤为：第一火次大变形轧制为：采用电炉加热，加热温度930～950℃，保温时间80min，终轧温度为800～850℃，使方坯直径减为50mm；第二火次大变形轧制为：采用电炉加热，加热温度890～910℃，保温时间60min，终轧温度750～800℃。
3.根据权利要求1所述的一种生物医用高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材的制备方法，其特征在于，制得的高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材，其中Al含量为6.0％～6.3％，V含量为4.0％～4.3％，O含量为0.16％～0.18％，Fe含量为0.18％～0.25％，Ti含量为88.97％～89.66％。
4.根据权利要求1所述的一种生物医用高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材的制备方法，其特征在于，制得的高强韧性Ti-6Al-4V钛合金棒材，抗拉强度不小于1000MPa、延伸率不小于15％，硬度不小于310HV。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |