[发明专利]一种高钽含量钛钽合金自耗电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钛钽合金制备技术领域，具体涉及一种高钽含量钛钽合金自耗电极的制备方法。

背景技术

在生物医用金属材料领域，钛及钛合金因其具有良好的生物相容性、较高的耐蚀性、良好的力学性能和无毒性等诸多优异性能，广泛用于制备人工关节替代物、骨钉、接骨板、脊柱内固定系统等。但是，传统的医用钛合金主要存在以下问题：

(1)细胞毒性，常见的外科植入物用钛合金，如Ti-6Al-4V(ELI)，Ti-6Al-7Nb等合金中含有毒性元素Al、V等，研究表明：Al、V元素对人体机体有潜在的危害，植入物长期植入人体，毒性元素会在体内释放，影响受损及周边组织的痊愈；

(2)高弹性模量，人骨弹性模量值为10～40GPa。目前，GB/T13810-2007外科植入物用钛及钛及钛合金加工材中的纯钛系列(α型)、TC4(ELI)和TC20(Ti-6Al-7Nb)(α+β型)钛合金的弹性模量值为100～120GPa，远高于人体骨组织，长期植入体内会引起“应力屏蔽现象”。目前，对于低弹性模量的生物医用钛合金材料的设计与制备主要考虑两个因素：一是合金元素的毒性；二是合金元素的添加有利于降低合金的弹性模量。Ta、Nb、Zr、Mo和Sn等具有良好的生物相容性和低的生物毒性，并且有利于β单相组织的形成。β相的获得有利于降低合金的弹性模量，提高耐磨和耐蚀性能。在众多β相稳定元素中，Ta被认为是生物相容性最好、抗腐蚀能力最强的。文献“EffectsofTacontentonYoung’smodulusandtensilepropertiesofbinaryTi–Taalloysforbiomedicalapplications”中采用tri-arcfurnace(三电弧熔炼法)熔炼10次制备得到Ti-XTa(X＝10,20,30,40,50,60,70,80,wt.％)系β型二元钛合金实验用小规格铸锭，铸锭经均匀化处理和轧制变形得到3mm厚板材，组织细小(晶粒度：50～60μm)，弹性模量值在70～100GPa之间，抗拉强度值在400～700MPa之间；文献“CharacterizationofTi-TaAlloysSynthesizedbyColdCrucibleLevitationMelting”中采用CCLM(冷坩埚磁悬浮熔炼)法制备得到Ti-XTa(X＝10,20,30,40,50,60,80,wt.％)系列实验用小规格铸锭。上述两种方法制备得到的Ti-Ta合金铸锭均匀性良好，气体及杂质元素含量低，无偏析，但是，铸锭尺寸规格太小，熔炼次数过多，导致制备工序复杂和成本过高，无法实现工业批量化生产。此外，由于Ta的熔点(2996℃)比Ti高很多，且密度大，当大量钽粉加入到海绵钛中后，会导致电极强度显著下降，在进行真空自耗电弧熔炼前，如果配料、混料和布料方法不当，会造成制得的自耗电极强度偏低，物料混合不均匀，熔炼过程中易造成电极掉块、掉渣或电极断裂的情况，出现难熔金属夹杂和偏析，直接影响铸锭的冶金质量。另外，电子束冷床炉和等离子冷床炉虽然可以解决Ti-Ta合金的高密度夹杂和偏析问题，但是在此之前还需要采用真空自耗电弧熔炼的方法进行预合金化，导致铸锭熔炼成本大幅提高，钽容易积聚在冷壳中，造成铸锭其他部位的合金元素含量下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高钽含量钛钽合金自耗电极的制备方法，该方法工艺简单，设计合理且容易实现，能够保证制备得到的自耗电极均匀性良好、强度高，有效避免电极运输、焊接、装配以及熔炼过程中高熔点元素金属粉末泄漏以及熔炼过程中掉块、掉渣或电极断裂等事故的发生。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高钽含量钛钽合金自耗电极的制备方法，其特征在于，该制备方法采用的压制模具由外模和内模组成，所述外模由底板和分别设置于底板两侧的左侧板和右侧板组成，所述内模由上模和下模组成，所述下模设置在底板上，所述上模具有开口向下的上模成型槽，所述下模具有开口向上的下模成型槽，所述上模成型槽和下模成型槽扣合形成一正六边形模腔；

该制备方法包括以下步骤：

步骤一、称取细颗粒零级海绵钛和钽粉，将钽粉与部分所述细颗粒零级海绵钛按质量比(1～3.5)：1混合均匀，得到混合物，部分所述细颗粒零级海绵钛为称取的细颗粒零级海绵钛总质量的70％～80％；所述细颗粒零级海绵钛的粒径为3mm～6mm；