一种用于超声手术刀的tc4eli钛合金及钛合金棒材的生产方法
阅读说明：本技术 一种用于超声手术刀的tc4eli钛合金及钛合金棒材的生产方法 (TC4ELI titanium alloy for ultrasonic scalpel and production method of titanium alloy bar ) 是由 贺峰 曹继敏 樊亚军 罗乾伟 石金虎 王戈 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明属于医用钛合金棒材技术领域,提供了一种用于超声手术刀的TC4ELI钛合金及钛合金棒材的生产方法,具体为：材料化学成分：Al:5.5～6.5％,V:3.5～4.5％,Fe:0.15-0.25％,Si：0.1～0.5％,O:0.08～0.13％,C:0～0.05％,N:0～0.03％,H:0～0.005％,其余为Ti及海绵钛中不可避免的杂质元素。原料经过三次真空自耗熔炼,确保成分均匀一致,没有内部缺陷。坯料经过后期一系列的热加工和热处理,性能满足超声手术刀的性能需求。本发明从成分、热加工及热处理环节逐步进行控制,制备出强度、塑性、韧性及疲劳性能最佳匹配的钛合金棒材,提高了超声手术刀的超高周疲劳,延长使用寿命,避免手术过程出现断刀现象,具有广阔的应用前景。(The invention belongs to the technical field of medical titanium alloy bars, and provides a TC4ELI titanium alloy for an ultrasonic scalpel and a production method of the titanium alloy bar, which specifically comprise the following steps: the chemical components of the material are as follows: 5.5-6.5% of Al, 3.5-4.5% of V, 0.15-0.25% of Fe, Si: 0.1 to 0.5 percent of titanium, 0.08 to 0.13 percent of O, 0 to 0.05 percent of C, 0 to 0.03 percent of N, 0 to 0.005 percent of H, and the balance of Ti and inevitable impurity elements in the titanium sponge. The raw materials are subjected to three times of vacuum consumable melting, so that the components are uniform and consistent, and no internal defects exist. The blank is subjected to a series of thermal processing and thermal treatment in the later period, and the performance of the blank meets the performance requirement of the ultrasonic scalpel. The method controls the components, hot working and heat treatment links step by step to prepare the titanium alloy bar with best matching strength, plasticity, toughness and fatigue performance, improves the ultra-high cycle fatigue of the ultrasonic scalpel, prolongs the service life, avoids the knife breaking phenomenon in the operation process, and has wide application prospect.)
技术领域
本发明涉及医用钛合金技术领域，特别涉及一种用于超声手术刀的TC4ELI钛合金及钛合金棒材的生产方法。
背景技术
目前，超声手术刀的工作原理是通过超声波换能器将超声波发生器提供的电能转变成高频机械振动，然后经由超声变幅杆将机械振动的振幅放大，被放大的机械振动传递到与变幅杆相连接的刀杆与到头部分，最后通过接触生物组织以实现切割组织功能。超声手术刀具有频率低、振幅大、可连续工作的特点，并且超声手术刀具有精度高、手术切口整齐、止血速度快、热灼伤区域小、产生烟雾少等优点。但是由于长期处于高频振动的条件下，超声刀具在服役过程中可能会产生微缺陷并逐步发展扩大，甚至断裂停振，温度也会在短时间内上升。
医用超声手术刀的材质一般选择工作频率范围内材料的损耗和阻抗要特别小。目前，超声手术刀最常用的材料是TC4钛合金，临床上常用的切割止血超声手术刀的工作频率大多为55Hz，既处于每秒5.5×104次高频振动工作状态，振幅约为55μm，循环周次高而时间短，很容易发生金属疲劳，造成手术刀头断裂。
发明内容
本发明提供一种用于超声手术刀的TC4ELI钛合金及钛合金棒材的生产方法，解决了目前TC4钛合金因疲劳寿命短而在手术过程中产生断刀的技术问题。
本发明提供了一种用于超声手术刀的TC4ELI钛合金，以重量百分数计，含有AL:5.5～6.5％,V:3.5～4.5％,Fe:0.15～0.25％,Si：0.1～0.5％，O:0.08～0.13％，C:0～0.05％，N:0～0.03％，H:0～0.005％，其余为Ti及海绵钛中不可避免的杂质元素。添加少量Si元素,可以提高了合金的高温性能和抗蠕变性能；上述各组分含量之和为100％。
进一步的，以重量百分数计，含有AL:6.12％,V:4.01％,Fe:0.17％,Si：0.12％，O:0.10％，C：0.027％，N：0.005％，H：0.0017％，其余为Ti及海绵钛中不可避免的杂质元素；上述各组分含量之和为100％。
进一步的，以重量百分数计，含有AL:6.15％,V:4.05％,Fe:0.18％,Si：0.13％，O:0.11％，C：0.025％，N：0.006％，H：0.0015％，其余为Ti及海绵钛中不可避免的杂质元素；上述各组分含量之和为100％。
进一步的，该TC4ELI钛合金的室温力学性能为：抗拉强度Rm的范围为：1050～1100MPa；屈服强度Rp0.2的范围为：950～1000MPa；延伸率A的范围为：0～20％；断面收缩率Z的范围为：0～40％；弹性模量E的范围为：105～110GPa。
本发明提供了一种用于超声手术刀的TC4ELI钛合金棒材的生产方法，包括如下步骤：
熔炼：按所述重量百分数称取AL、V、Fe、Si、O、C、N、H以及Ti后，将其混合，得到混合物；之后在所述混合物上压制电极，熔炼成铸锭。
锻造:所述铸锭经过锯切及表面防氧化涂层处理，分别在合金相变点以上及α+β两相区进行多火次的换向墩拔锻造，中间进行表面缺陷的打磨处理，得到方坯。
粗轧：对所述方坯进行表面修磨处理，在α+β两相区进行保温，经大的轧制变形，得到盘条，使合金的组织更加细小均匀。
精轧：对所述盘条进行表面的去缺陷处理，在低于粗轧温度进行成品精轧，确保成品表面不产生较大的缺陷。
热处理：精轧完的轧条根据成品长度进行预矫直和下料，在退火炉中进行700～800℃的退火，然后进行无应力矫直处理。
精整：矫直后的直棒进行精整确保尺寸、光洁度满足要求，最后进行喷码、入库。
进一步的，所述熔炼步骤中，海绵钛选择零级小颗粒原料。
进一步的，所述熔炼步骤中，采用三次真空自耗熔炼，确保成分均匀，无内部缺陷。
进一步的，所述精整步骤中，对所述直棒在自动串联磨削线上进行少量、多次的磨削加工进行精整。
进一步的，熔炼：选用铝-钒合金、铝-硅合金、铝豆为原料，制备Φ620mm的铸锭，扒皮、探伤及锯切冒口。
锻造：铸锭分别从β单相区、α+β两相区经压机、快锻机反复墩拔、换向锻造，变形至所需方坯料尺寸，中间进行修磨去除表面缺陷。
粗轧：表面无缺陷的方坯，在α+β两相区经过连续轧制，直接由方坯粗轧至Φ10mm的盘条，扒皮去除表面缺陷。精轧:盘条在低于粗轧温度进行精轧至Φ6.2mm；轧制速度3～5m/s，尺寸公差控制在0.03mm以内。
热处理：盘条经过辊式矫直，并定尺下断，然后在箱式炉里进行退火处理，退火温度700℃，退火时间90min，消除材料的加工应力，最后进行无应力矫直，直线度不大于0.1mm/m。
精整：矫直后的直棒经过串联的无心磨床进行磨削，磨削直成品Φ6.0mm，棒材表面的粗糙度Ra不大于0.4μm。
本发明提供了一种用于超声手术刀的TC4ELI钛合金棒材及制造方法其优点为：
1)本发明在常规的TC4ELI成分里添加Si元素，提高合金的室温力学性能、高温力学性能和抗高温蠕变性能。
2)本发明热加工过程采用多火次墩拔、换向锻造以及大变形的轧制，使合金的组织更加细小、均匀，并且减小了横向和纵向的组织差异。
3)本发明热处理过程采用退火和去应力矫直相结合的工艺制度，减少残余应力对合金疲劳强度的影响。
本发明属于医用钛合金棒材技术领域，提供了一种用于超声手术刀的TC4ELI钛合金及钛合金棒材的生产方法，具体为：材料化学成分：Al:5.5～6.5％，V:3.5～4.5％，Fe:0.15-0.25％，Si：0.1～0.5％，O:0.08～0.13％，C:0～0.05％，N:0～0.03％，H:0～0.005％，其余为Ti及海绵钛中不可避免的杂质元素。原料经过三次真空自耗熔炼，确保成分均匀一致，没有内部缺陷。坯料经过后期一系列的热加工和热处理，性能满足超声手术刀的性能需求。本发明从成分、热加工及热处理环节逐步进行控制，制备出强度、塑性、韧性及疲劳性能最佳匹配的钛合金棒材，提高了超声手术刀的超高周疲劳，延长使用寿命，避免手术过程出现断刀现象，具有广阔的应用前景。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明实施例中一种用于超声手术刀的TC4ELI钛合金的金相组织的横向组织图。
图2为本发明实施例中一种用于超声手术刀的TC4ELI钛合金的金相组织的纵向组织图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种用于超声手术刀的TC4ELI钛合金，以重量百分数计，含有AL:5.5～6.5％,V:3.5～4.5％,Fe:0.15～0.25％,Si：0.1～0.5％，O:0.08～0.13％，C:0～0.05％，N:0～0.03％，H:0～0.005％，其余为Ti及海绵钛中不可避免的杂质元素；上述各组分含量之和为100％。添加少量Si元素,可以提高了合金的高温性能和抗蠕变性能。
优选的，以重量百分数计，含有AL:6.12％,V:4.01％,Fe:0.17％,Si：0.12％，O:0.10％，C：0.027％，N：0.005％，H：0.0017％，其余为Ti及海绵钛中不可避免的杂质元素；上述各组分含量之和为100％。
优选的，以重量百分数计，含有AL:6.15％,V:4.05％,Fe:0.18％,Si：0.13％，O:0.11％，C：0.025％，N：0.006％，H：0.0015％，其余为Ti及海绵钛中不可避免的杂质元素；上述各组分含量之和为100％。
优选的，该TC4ELI钛合金的室温力学性能为：抗拉强度Rm的范围为：1050～1100MPa；屈服强度Rp0.2的范围为：950～1000MPa；延伸率A的范围为：0～20％；断面收缩率Z的范围为：0～40％；弹性模量E的范围为：105～110GPa。
本发明实施例提供了一种用于超声手术刀的TC4ELI钛合金棒材的生产方法，包括如下步骤：
熔炼：按所述重量百分数称取AL、V、Fe、Si、O、C、N、H以及Ti后，将其混合，得到混合物；之后在所述混合物上压制电极，熔炼成铸锭；。
锻造:所述铸锭经过锯切及表面防氧化涂层处理，分别在合金相变点以上及α+β两相区进行多火次的换向墩拔锻造，中间进行表面缺陷的打磨处理，得到方坯。
粗轧：对所述方坯进行表面修磨处理，在α+β两相区进行保温，经大的轧制变形，使合金的组织更加细小均匀。
精轧：粗轧完的盘条进行表面的去缺陷处理，在低于粗轧温度进行成品精轧，确保成品表面不产生较大的缺陷。
热处理：精轧完的轧条根据成品长度进行预矫直和下料，在退火炉中进行700～800℃的退火，然后进行无应力矫直处理。
精整：矫直后的直棒进行精整确保尺寸、光洁度满足要求，最后进行喷码、入库。
优选的，所述熔炼步骤中，海绵钛选择零级小颗粒原料。
优选的，所述熔炼步骤中，采用三次真空自耗熔炼，确保成分均匀，无内部缺陷。
优选的，所述精整步骤中，对所述直棒在自动串联磨削线上进行少量、多次的磨削加工进行精整。
优选的，熔炼：选用铝-钒合金、铝-硅合金、铝豆为原料，制备Φ620mm的铸锭，扒皮、探伤及锯切冒口。
锻造：铸锭分别从β单相区、α+β两相区经压机、快锻机反复墩拔、换向锻造，变形至所需方坯料尺寸，中间进行修磨去除表面缺陷。
粗轧：表面无缺陷的方坯，在α+β两相区经过连续轧制，直接由方坯粗轧至Φ10mm的盘条，扒皮去除表面缺陷。
精轧:盘条在低于粗轧温度进行精轧至Φ6.2mm；轧制速度3～5m/s，尺寸公差控制在0.03mm以内。
热处理：盘条经过辊式矫直，并定尺下断，然后在箱式炉里进行退火处理，退火温度700℃，退火时间90min，消除材料的加工应力，最后进行无应力矫直，直线度不大于0.1mm/m。
精整：矫直后的直棒经过串联的无心磨床进行磨削，磨削直成品Φ6.0mm，棒材表面的粗糙度Ra不大于0.4μm。
下面结合一个TC4ELI钛合金Φ6mm棒材的生产方法进行说明。
本发明实施例提供的TC4ELI钛合金Φ6mm棒材，生产方法如下：
熔炼：选用“0级”小颗粒海绵钛、铝-钒合金、铝-硅合金、铝豆等为原料，按照表1和表3重量比例进行配料，压制电极，经过三次真空自耗电弧炉熔炼，制备Φ620mm的铸锭，扒皮、探伤及锯切冒口。本实施例在熔炼过程选择零级小颗粒海绵钛，可以采用电子称重、均匀布料，大吨位压机无焊接连续压制电极及三次真空自耗熔炼，提高了铸锭的成分均匀性，减少了内部缺陷的产生。
铸锭化学成分如表1，成分均匀。
表1
铸锭化学成分如表3，为与表1对比的铸锭化学成分表，成分均匀。
表3
锻造：铸锭分别从β单相区、α+β两相区经压机、快锻机反复墩拔、换向锻造，变形至所需方坯料尺寸，中间进行修磨去除表面缺陷。
粗轧：表面无缺陷的方坯，在α+β两相区经过连续轧制，直接由方坯粗轧至Φ10mm的盘条，扒皮去除表面缺陷。
精轧:盘条在低于粗轧温度进行精轧至Φ6.2mm；轧制速度3～5m/s，尺寸公差控制在0.03mm以内。
热处理：盘条经过辊式矫直，并定尺下断，然后在箱式炉里进行退火处理，退火温度700℃，退火时间90min，消除材料的加工应力，最后进行无应力矫直，直线度不大于0.1mm/m。
精整：矫直后的直棒经过串联的无心磨床进行磨削，磨削直成品Φ6.0mm，棒材表面的粗糙度Ra不大于0.4μm。
本实施例精整过程采用多台磨床串联磨削的方式，少量、多次的磨削，提高了材料表面的光洁度，减少表面缺陷对对疲劳强度的影响。
表1对应的成品Φ6.0mm的力学性能检测如表2所示，金相组织的横向组织如图1、金相组织的纵向组织如图2，满足医用超声手术刀的性能要求，并提高了超高周疲劳强度，延长了使用寿命。
如表2
表3对应的成品Φ6.0mm的力学性能检测如表4所示，与表2相比不能满足医用超声手术刀的性能要求，不能提高了超高周疲劳强度，延长了使用寿命。
如表4
综上所述，本发明属于医用钛合金棒材技术领域，提供了一种用于超声手术刀的TC4ELI钛合金及钛合金棒材的生产方法，具体为：材料化学成分：Al:5.5～6.5％，V:3.5～4.5％，Fe:0.15-0.25％，Si：0.1～0.5％，O:0.08～0.13％，C:0～0.05％，N:0～0.03％，H:0～0.005％，其余为Ti及海绵钛中不可避免的杂质元素。原料经过三次真空自耗熔炼，确保成分均匀一致，没有内部缺陷。坯料经过后期一系列的热加工和热处理，性能满足超声手术刀的性能需求。本发明从成分、热加工及热处理环节逐步进行控制，制备出强度、塑性、韧性及疲劳性能最佳匹配的钛合金棒材，提高了超声手术刀的超高周疲劳，延长使用寿命，避免手术过程出现断刀现象，具有广阔的应用前景。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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