[发明专利]一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺

说明书

本发明公开了一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺，是将用Ti‑6Al‑4V合金材料制作的阶梯形变幅杆超声刀刀杆以≥95℃/min的加热速度升温至β相变温度以下10～40℃保温固溶后，空冷至室温；然后，再以≥25℃/min的加热速度升温至490～530℃时效后，空冷至室温。本发明通过优化热处理工艺，调控合金基体中α相、β相含量，较大幅度提高了超声波在基体中的传播效率；同时结合刀杆结构的优化，有效缓解节点处应力集中，有利于超声波在刀杆中的传播并增大超声波引起的刀杆尖端振幅，使刀杆尖端振幅较热处理前最高提升26.5%。本发明工艺简单、操作方便、可大幅提高超声刀刀杆振幅；适于超声刀刀杆的应用。

技术领域

本发明公开了一种提高超声刀刀杆振幅的热处理工艺。属于金属材料热处理技术领域。

背景技术

随着人们对医疗技术水平的要求越来越高，传统的外科手术向伤口更小、出血更少的方向发展，促进了医疗设备技术的更新。如数字减影与介入手术、腔镜技术与腔镜手术、超声技术与超声刀等。特别是超声刀技术能使手术更精确、无焦痂生成、术中视野更清晰等优点在外科手术中被广泛应用。

20世纪90年代以来,超声外科在生物医学领域中的应用越来越广泛。高效、灵活的超声手术刀的研制已成为相关领域研究的热点。它最先应用于眼科和神经外科手术，主要用来进行精细分割。随着外科手术的不断深入开展，它广泛的用途得到了人们的认可，使用范围越来越广。由于在使用时烟雾少，不影响手术视野，进而将超声刀引入腹腔镜外科，大大促进了腔镜外科的发展。随着使用经验的积累和研究的不断深入，超声刀的使用范围已逐步拓宽，除腹腔镜手术外，传统开放手术应用超声刀的病例也逐步增多。目前超声手术刀主要应用在白内障乳化、肝胆肿瘤吸引、吸脂美容、切骨、切割凝血等。由于它具有精度高、出血少、无灼伤、术后恢复快等优点,已经有取代高频电刀、机械夹钳等的趋势。

超声外科手术，是利用超声刀杆在频率高于20kHz以上，产生的高频振幅振动，对所需切割部位进行精准有效的切割。切割主要依赖瞬时加速度。根据有关研究证明，用于切割软组织的振动的加速度阈值大约是5×10⁴g（g表示重力加速度的单位，g≈10m/s²）。如若将作用点以不少于阈值的机械加速度的振动速度完全传递到具有活性的生物组织之上时，被作用的组织处即可被迅速地拉开，这部分组织同周围组织分离，而同时不会损伤其周围的组织，以此完成切割的目的；如若作用点的机械加速度没超过5×10⁴g这一阈值，被作用的组织处不能被切开。由此而知，为了让超声刀的振动加速度超过阈值（加速度a=A（2πf）²）,在设定了频率的前提下，必须得顾及到振动位移幅值。通过公式计算可知，对于工作频率为20kHz的超声刀，其刀头最小的振动位移幅值应该超过32μm，这样才可以切开生物组织。

在整个超声刀系统中，刀杆作为直接作用工件，对其材料性能的要求极为严苛。其关键切割性能体现在刀杆的机械性能上—即对超声振幅的有效传递。就医用超声刀而言，研究表明，频率为23KHz的超声刀，要顺利完成对软组织的切割，其振幅至少需要到达32μm；而对骨组织顺利切割，其振幅需超过100μm。由此可见，振幅越大，超声刀所适用的范围越广，工作效率越高。

超声刀刀杆的振幅与其组织密不可分，目前作为超声刀杆最为常见的材料为Ti-6Al-4V合金。Ti-6Al-4V是典型的（α+β）两相钛合金，其组织可按α、β相的形貌与含量分为等轴组织、双态组织与魏氏组织。要获得大的振幅，就必须对其组织进行优化，提高超声能量效率，从而提高振幅。而对于Ti-6Al-4V等众多合金而言，其组织的优化与调控，最直观有效的方式就是热处理。

目前，Ti-6Al-4V这类（α+β）两相合金的热处理方式主要分为三大类：

（1）在合金β转变温度以下100℃左右固溶，保温1小时左右，之后在500～600℃进行时效，时间4～12小时，其组织特点是在均匀分布的含量超过50%的α相基体上，分布着一定数量的β转变组织；