[发明专利]一种生物医用高强韧性Ti‑6Al‑4V钛合金棒材及其制备方法

说明书

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)固定系统与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：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：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；

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系统；