CN105132840A - 激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法，通过半导体激光对医用β钛合金进行表面淬火处理，激光淬火的工艺参数为功率450W～600W,扫描速度6～16mm/s，加工道次为1道次。本发明的方法显著提高了医用β钛合金的超弹性能，且表面改性后的医用β钛合金表面光滑平整，不需再进行表面精加工即可用于后续工艺流程。

Description

激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于外科植入领域的低弹性模量医用β钛合金的表面改性方法，具体是采用激光淬火表面处理技术对Ti-35Nb-2Ta-3Zr(wt.％)β钛合金进行表面改性，通过激光淬火工艺，提高医用β钛合金的超弹性能。

背景技术

20世纪50年代初期，在英国和美国，纯钛首先被用来制造接骨板、髋关节、髓内钉和螺钉等生物医用材料。但临床发现，纯钛制造的髋关节和髓内钉的强度、刚度明显不足。从二十世纪九十年代开始，新型钛合金的研制开发就成为医用材料的开发重点。然而，钛合金的弹性模量如果太高，置于生物体内易产生“应力屏蔽”效应。钛合金在生物医学方面的应用不只是对其生物相容性、耐蚀性等有所要求，在保证生物安全性的基础上，对其力学性能也有具体的要求。

目前制备的生物医用钛及钛合金还存在着如硬度低、耐高温性较差、导电性和可焊性不良、耐磨性不好等缺陷，由于其应用领域的特殊性，对其材料的性能要求也更高。通常我们需要采用表面处理或表面改性的方法改善和提高钛及钛合金的使用特性，现有技术中主要通过微弧氧化法、渗碳处理、溶胶凝胶、气相沉积、等离子喷涂、离子注入、搅拌摩擦焊接等技术对钛及钛合金进行表面处理或改性，但效果不是很理想。因此，开发一种新的表面处理或改性方法以提高生物医用钛及钛合金的超弹性能，使其满足使用要求，将具有广阔的应用前景。

发明内容

针对现有技术中的局限性，本发明的目的是提供一种激光淬火技术增强医用β钛合金超弹性能的方法。本技术应用于自制研发的医用β钛合金中，此β钛合金具有低弹性模量、无毒性，用于植入外科医用领域。针对现有技术及应用要求，将激光淬火技术对医用β钛合金表面改性，提高材料的超弹性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法，包括以下步骤：

(a)、材料表面处理:将轧制退火后的β钛合金表面打磨去除氧化皮、矫直,同时保证表面光滑与平整度，再用丙酮清洗以保持试样表面清洁；

(b)、固定加工试样:将试样用夹具固定在半导体激光设备的工作台上，经步骤(a)处理的表面朝上，并设置激光淬火的工艺参数,加工过程中保证激光淬火过程中材料不被氧化；

(c)、材料表面处理：对步骤(b)中固定后的医用β钛合金进行激光淬火表面改性；加工过程中用氩气保护,加工道次为1道次。钛合金在表面改性过程中具有吸气性的特点，加工过程中用氩气保护，有效避免了钛合金在熔化过程中与空气接触发生腐蚀。

优选地，所述的医用β钛合金的成分及质量百分比为：Nb:35％,Ta:2％,Zr:3％，Ti:60％。Nb:35％,Ta:2％,Zr:3％，Ti:60％。在β钛合金中，Nb、Ta、Zr等元素的加入一方面具有较好的生物相容性，可以减小或避免长期植入体内会对身体造成的毒性作用，成为医用β钛合金材料开发的重点；另一方面，以Ti-Nb，Ti-Ta，Ti-Zr为基体的β钛合金相比较其他常用的钛合金，可以获得更低的弹性模量和更高的强度，可以减少或避免钛合金具有较大的弹性模量，植入体内造成“应力屏蔽”现象。故此配比的β钛合金材料具有较大的医用潜力。

β钛合金结构为Ti-35Nb-2Ta-3Zr。由于Nb、Ta、和Zr元素的加入，此β型钛合金具有低弹性模量和生物相容性(无毒)的优势。

优选地，所述的β钛合金Ti-35Nb-2Ta-3Zr的制备方法包括：

步骤一、采用真空自耗熔炼技术设计Nb、Ta和Zr的含量，与海绵钛混合后压制成型，并将铸锭至少淬火两次；

步骤二、将淬火后的铸锭经机加工后用氩弧焊与辅助电极焊合，重新在真空自耗电弧炉熔炼；

步骤三、将熔炼后的锭子在950℃热锻，去除材料表面氧化皮，在920℃～950℃对材料进行轧制变形后退火处理。

优选地，为了保证激光淬火的淬透性，步骤(a)所述轧制退火后的β钛合金厚度为0.5～1mm。

优选地，步骤(a)所述轧制退火的退火时间为3～5min，以获得原始态组织。

优选地，所述的步骤(b)中，采用的激光器类型为ROFINDL035Q半导体激光器，激光最大功率为3.5千瓦，其输出激光的波长为808nm～940nm。

优选地，所述的步骤(b)中，激光淬火的工艺参数为功率450W～600W,扫描速度6～16mm/s。当激光功率小于450W且扫描速度小于6mm/s时，β钛合金的改性层发生熔化再凝固，不能形成淬火组织。

优选地，所述的步骤(c)中，进行激光淬火时的激光束能量分布为慢轴方向成高帽分布，在快轴方向呈高斯分布。

优选地，所述的步骤(c)中，进行激光淬火时激光焦点处斑点为矩形，其尺寸为2.0mm×3.3mm；激光器与β钛合金表面的距离为5mm。

优选地，所述的步骤(c)中，氩气的气体流量设定为20～30L/min。

本发明所述激光重熔技术是激光表面改性方法的一种，激光表面改性技术能够改善材料表面性能，在提高材料使用寿命方面具有突出的优越性。激光表面改性技术处理后的改性层稀释率低，改性层厚度容易控制，改性层与基体呈牢固的冶金结合，且激光表面改性处理速度快、热影响区小，不会引起基体材料性能和尺寸的变化。采用激光淬火技术主要是利用高能量密度的激光束，将材料表面加热到相变点以上，使材料快速冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使材料的力学性能发生变化。

本发明通过激光淬火技术对自制β钛合金Ti-35Nb-2Ta-3Zr进行表面改性，针对钛合金在表面改性过程中具有吸气性的特点，防止钛合金在熔化过程中与空气接触发生氧化，实验表明保护气体流量设定为20-30L/min较为适宜。激光表面淬火的硬化层深度一般为0.3～1.5mm，根据本专利中钛合金的厚度范围，为了保证材料的淬透性，淬火次数为1道次。通过激光淬火技术对β钛合金的超弹性研究发现，由激光淬火诱发形成的马氏体界面移动和重新取向造成了材料的超弹性特征。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的方法是在医用β钛合金表面进行激光淬火,显著提高了钛合金的超弹性能。

2、本发明的方法简单易操作，工艺周期短，不需要额外的淬火介质，工件变形小、改性层光滑洁净，无需进行后续的精加工处理。具有很大的市场推广和应用价值。

3、本发明自制的医用β钛合金，由于其特定的成分和重量比，与现有技术的β钛合金相比，具有低弹性模量、高强度、耐腐蚀性和生物相容性的优势。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为医用β钛合金母材的超弹性能；

图2为医用β钛合金经过激光淬火后的超弹性能；

图3为医用β钛合金经过激光淬火后的宏观金相图；

图4为医用β钛合金母材的金相组织图；

图5为医用β钛合金经过激光淬火后的金相组织图；

图6为采用搅拌摩擦焊接方法获得的表面改性层图；

图7为对比例2的医用β钛合金经过激光淬火后的宏观金相图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种采用激光淬火技术对医用β钛合金表面改性,具体步骤如下：

(a)、表面处理:将轧制退火后厚度为1mm的医用β钛合金表面打磨去除氧化皮,用打磨机将材料表面磨光至光滑状态；所述轧制退火的退火时间为3～5min。

(b)、安装加工试样:将试样用夹具固定在半导体激光设备的工作台上，并设置好加工的各个工艺参数；设计激光淬火加工的工艺参数：激光淬火功率为500W,扫描速度为12mm/s。

(c)、材料表面改性：对步骤(b)中确认的医用β钛合金进行激光淬火表面改性；试样加工步骤(a)所示,加工过程中用氩气保护，流量为20L/min,激光器与工件表面的距离为5mm，激光快扫1道次。

所述的医用β钛合金的成分及质量百分比为：Nb:35％,Ta:2％,Zr:3％，Ti:60％；其制备方法包括：采用真空自耗熔炼技术设计Nb、Ta和Zr的含量，与海绵钛混合后压制成型，并将铸锭至少淬火两次；将淬火后的铸锭经机加工后用氩弧焊与辅助电极焊合，重新在真空自耗电弧炉熔炼；将熔炼后的锭子在950℃热锻，去除材料表面氧化皮，在920℃～950℃对材料进行轧制变形后退火处理。

试样的超弹性特征由纯弹性应变和超弹性应变来表示。在卸载过程中，卸载曲线由线性和非线性两部分组成，这种线性的弹性回复应变为纯弹性应变(E)；而非线性回复阶段所造成的应变为超弹性应变(SE)。图1和图2所示为医用β钛合金母材和经过激光淬火后的医用β钛合金的超弹性能对比。比较图1、图2可知，经过激光淬火后，钛合金的超弹性能显著提高。

实施例2

采用激光淬火处理对医用β钛合金表面改性,具体步骤参照实施例1，与实施例1的不同点如下：

轧制退火后厚度为0.8mm的医用β钛合金激光淬火工艺参数：激光淬火功率为450W，扫描速度为6mm/s，氩气保护，流量为20L/min。图3所示为医用β钛合金进行1道次激光淬火后的宏观金相图。由图3可知，经过激光淬火处理后，在形成上述马氏体的同时，钛合金的晶粒明显长大，且表面光滑洁净、组织比较均匀。

实施例3

采用激光淬火处理对医用β钛合金表面改性,具体步骤参照实施例1，与实施例1的不同点如下：

轧制退火后厚度为0.5mm的医用β钛合金激光淬火工艺参数：激光淬火功率为600W，扫描速度为16mm/s，氩气保护，流量为30L/min。同样地提高了钛合金的超弹性性能。图4和图5所示为医用β钛合金母材和经过激光淬火后的医用β钛合金的金相组织图。比较图4和图5可知，经过激光淬火后，钛合金的组织形成了较多的马氏体，这是提高钛合金超弹性能的主要原因。

对比例1

采用现有技术的搅拌摩擦焊接方法对实施例1所述医用β钛合金进行表面改性，获得的表面改性层如图6所示，获得的焊接表面粗糙不平，不能直接应用，需要进行后续的表面精加工；而利用激光淬火方法获得的改性层表面光洁平滑，可直接应用，减少了表面精加工的工艺。

对比例2

采用激光重熔处理对实施例1所述医用β钛合金表面改性,具体步骤参照实施例1，不同之处如下：

轧制退火后厚度为0.8mm的医用β钛合金激光淬火工艺参数：激光淬火功率为400W，扫描速度为2mm/s时，氩气保护且流量为20L/min时，钛合金表面发生熔化，不能获得淬火组织，如图7所示。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、材料表面处理:将轧制退火后的医用β钛合金表面打磨去除氧化皮、矫直,再用丙酮清洗；

b、固定加工试样:将试样固定在半导体激光设备的工作台上，经处理的表面朝上，并设置激光淬火的工艺参数；

c、材料表面处理：在氩气保护下对医用β钛合金进行激光淬火表面改性,加工道次为1道次。

2.如权利要求1所述的激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法，其特征在于，所述的β钛合金的成分及质量百分比为：Nb:35％,Ta:2％,Zr:3％，Ti:60％。

3.如权利要求1或2所述的激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法，其特征在于，所述的β钛合金的制备方法包括：

步骤一、采用真空自耗熔炼技术设计Nb、Ta和Zr的含量，与海绵钛混合后压制成型，并将铸锭至少淬火两次；

步骤二、将淬火后的铸锭经机加工后用氩弧焊与辅助电极焊合，重新在真空自耗电弧炉熔炼；

步骤三、将熔炼后的锭子在950℃热锻，去除材料表面氧化皮，在920℃～950℃对材料进行轧制变形后退火处理。

4.如权利要求1所述的激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法，其特征在于，步骤a所述轧制退火后的β钛合金厚度为0.5～1mm。

5.如权利要求1所述的激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法，其特征在于，步骤a所述压制退火的退火时间为3～5min。

6.如权利要求1所述的激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法，其特征在于，所述的步骤b中，半导体激光设备的输出激光的波长为808nm～940nm。

7.如权利要求1所述的激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法，其特征在于，所述的步骤b中，激光淬火的工艺参数为功率450W～600W,扫描速度6～16mm/s。

8.如权利要求1所述的激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法，其特征在于，所述的步骤c中，进行激光淬火时的激光束能量分布为在慢轴方向成高帽分布，在快轴方向呈高斯分布。

9.如权利要求1所述的激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法，其特征在于，所述的步骤c中，进行激光淬火时激光焦点处斑点为矩形；激光器与β钛合金表面的距离为5mm。

10.如权利要求1所述的激光淬火技术制备增强医用β钛合金超弹性能的方法，其特征在于，所述的步骤c中，氩气的气体流量设定为20～30L/min。