[发明专利]一种医用β钛合金薄板材的轧制加工方法

说明书

技术领域

本发明属于板材加工技术领域，具体涉及一种医用β钛合金薄板材的轧制加工方法。

背景技术

在医用金属材料中，钛及其合金具有较高的比强度、较低的弹性模量以及良好的耐蚀性和生物相容性，已成为人工关节、齿科植体和心血管支架等医用植入产品的首选材料。纯钛、Ti–3Al–2.5V和Ti–6Al–4V属于人们开发的第一代医用钛合金。纯钛虽然耐蚀性优良，但是其强度较低，耐磨性较差，从而限制了它在承载较大部位的应用。其他两种合金具有较高的强度和较好的加工性能，但是含对人体有害的V、Al元素，生物相容性较差，其应用受到制约。20世纪80年代中期，瑞士和德国开发了第二代无V的α+β型钛合金Ti-6A1-7Nb和Ti-5A1-2.5Fe，但是这两种合金仍含有Al元素。此外，第一代和第二代医用钛合金的弹性模量在100GPa左右，与人骨弹性模量(10-30GPa)相比差距较大，容易产生“应力屏蔽”，导致骨吸收甚至种植体失效。由此，学者们通过成分设计，采用Nb、Ta、Zr和Sn等无毒元素替代Al和V，开发了一系列新型的医用β型钛合金。典型的有美国的Ti-13Nb-13Zr、Ti-35Nb-5Ta-7Zr和日本的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金。我国多家科研院所和高校都参与了医用β钛合金的研究。其中中科院金属所开发了Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(Ti2448)，西北有色院开发了TLE和TLM合金。相对于传统的医用钛合金材料，这些新开发的第三代医用β钛合金的生物相容性大有改善，弹性模量也相对下降了30～50％，但仍为人骨模量的2倍以上，没有彻底解决植入件与骨组织之间的应力匹配和传递问题。

β钛合金具有体心立方的晶体结构，因而表现出良好的冷加工性能。医用β钛合金通过冷轧变形，发生应变诱发α″马氏体相变，α″马氏体具有高塑性、低强度和低硬度，使得合金的弹性模量降低，同时在晶粒细化和位错增殖的作用下材料的强度得到提高。因此，在现有的医用β钛合金基础上寻求合适的加工工艺来调控合金的微观组织，进而降低合金的弹性模量是目前此领域的一个重要发展方向。轧制变形技术在制备超细晶/纳米晶材料上具有工艺简单、成本低、容易实现批量生产等优点。并在此基础上，通过降低轧制变形温度，可以使医用β钛合金在冷轧变形过程中获得更多的α″马氏体，达到进一步降低合金的弹性模量的目的。低温轧制之后再配合高温短时再结晶退火处理，可使合金获得由β基体和α″马氏体组成的均匀的超细晶粒组织，使得合金达到低模量、高强度、良好塑韧性的优良匹配，以满足临床对新一代医用植入材料力学相容的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种板材加工技术，具体涉及一种医用β钛合金薄板材的轧制加工方法。该方法简单，性能可靠，设备来源广泛，对环境无污染，通过控制道次变形量、道次保温温度和退火温度等参数，得到由β基体和α″马氏体组成的均匀的超细晶粒组织，进一步降低合金的弹性模量，提高强度，获得良好塑韧性，达到综合性能的优良匹配。

本发明方法包括以下步骤：

步骤一、在真空条件或惰性气体保护下，将厚度为4～10mm的钛合金板坯加热至840～920℃并保温30～80min，然后对保温后的钛合金板坯放置﹣50～﹣20℃低温冷淬，再将板坯放置在空气中自然风干至室温；

步骤二、对钛合金板坯进行三道次轧制，第一、二道次的加工率均为5％～20％，第三道次轧制的加工率为5％～15％；每道次轧制前采用程序控温装置对轧制过程中相邻两道次之间的钛合金板坯进行降温处理，温度为﹣80～﹣20℃，保温时间为5～20min；

步骤三、将步骤二中经降温处理后的钛合金板坯再进行四道次轧制，轧制的道次加工率为8％～15％，轧制过程中相邻两道次之间对轧制后的钛合金板坯进行降温处理；

步骤四、将步骤三中经降温处理后的钛合金板坯进行多道次轧制，轧制的道次加工率为5％～8％，得到厚度为0.5～1.0mm的板坯，轧制过程中相邻两道次之间对轧制后的钛合金板坯进行降温处理；

步骤五、在真空条件或惰性气体保护下，对步骤四中经多道次轧制后的钛合金板坯进行高温短时再结晶退火处理，得到钛合金薄板材。

上述的一种医用β钛合金薄板材的轧制加工方法，其特征在于，步骤一中所述钛合金板坯是TA1工业纯钛板、纯Nb板、Zr板、钛粉等为原材料熔炼得到铸锭，再经自由锻造工艺得到板坯。

上述的一种医用β钛合金薄板材的轧制加工方法，其特征在于，步骤一中冷淬温度为﹣50～﹣20℃，淬冷时间为5～20min，取出后自然风干至室温。