[发明专利]一种医用超声换能器用预应力螺栓的制备方法

说明书

本发明公开了一种医用超声换能器用预应力螺栓的制备方法，根据设计配方按化学计量比称量原料，将称量好的原料放入水冷铜坩埚中，在真空自耗电弧炉进行熔炼，浇注到型腔中得到预应力螺栓毛胚，经抛丸清理、探伤检查后，置于真空热处理炉内进行双重退火处理得到预应力螺栓制品。与现有技术相比，采用精密铸造技术结合双重退火热处理技术，具有综合性能优异、材料利用率高、生产效率高、易于实现批量化生产等优点，能很好的满足商用需求，很适合于制备钛合金预应力螺栓制品。

技术领域

本发明涉及一种预应力螺栓的制备方法，尤其涉及一种医用超声换能器用预应力螺栓的制备方法。

背景技术

超声波是指频率大于20KHz以上的声波，因其方向性好，穿透力强，已被广泛应用于超声刀手术、超声波雾化、B超检查、超声波制药等诸多医学领域。相较于传统手术，超声刀手术具有切割精度高、创伤范围小、凝血效果佳、视野更加清晰、手术时间大幅缩短、术后恢复快等优点，给医生和患者都带来了巨大好处。

超声手术刀设备主要由高频功率源和超声振动系统两部分组成。超声振动系统又包括三个部分：超声换能器、超声变幅杆、超声刀刀头。其中，超声换能器是进行能量转换的器件，它可以将超声波发生器产生的振荡电信号转换成机械振动信号，即把电能转化成机械能。换能器主要由前盖板(含变幅杆)、压电陶瓷片、电极片、后盖板和预应力螺栓等组成。预应力螺栓的作用是由于压电陶瓷的抗拉强度Te(约为50MPa)远小于抗压强度Tc(约为500MPa)，若不施加预应力，压电陶瓷在工作过程中，很容易超过抗拉强度Te，发生破坏，大幅限制其使用范围，比如不能在大振幅或大功率激励下使用。为拓展使用范围，需对压电陶瓷施加预应力，保证超声换能器振动时，压电陶瓷晶堆始终处于压缩状态。由此可见，预应力螺栓所用材料应具备高强度、高硬度、较好的塑性以及良好的生物相容性等特点。

目前，预应力螺栓的常用材料有40Cr和45钢，但是40Cr的断后伸长率一般仅为10％，而45钢的屈服强度仅在400MPa左右，均不能很好地满足高功率高振幅超声换能器的需求。钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的金属，因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高和生物相容性好等特点而被广泛用于医学领域。由于钛合金自身材料价格高于钢铁、铝合金等金属，采用锻造、机加工等固态成型技术制造复杂钛合金构件如预应力螺栓等，难度大、加工量大、材料利用率低、成本高，因此，提出一种医用超声换能器用工艺简单、成本低廉且性能优异的预应力螺栓制备方法是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的不足，提供一种医用超声换能器用预应力螺栓的制备方法，采用精密铸造技术结合双重退火热处理技术制备出性能优异、工艺简单、适合大规模生产的钛合金预应力螺栓，克服了上述工艺的缺点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种医用超声换能器用预应力螺栓的制备方法，包括以下步骤：

根据设计配方按化学计量比称量原料，将称量好的原料放入水冷铜坩埚中，在真空自耗电弧炉进行熔炼，浇注到型腔中得到预应力螺栓毛胚，经抛丸清理、探伤检查后，置于真空热处理炉内进行双重退火处理得到预应力螺栓制品；

所述精密铸造工艺中，熔化电压为20～50V，熔化电流为10～20KA，真空度≤10^-1Pa，浇注温度为1700～1750℃；

所述双重退火工艺中，真空度≤10^-1Pa，第一次热处理工艺为：850～950℃、优选为895～905℃保温1～4h、优选为100～140min，随炉冷至100℃出炉，第二次热处理工艺为：600～700℃、优选为600～610℃保温1～4h、优选为3.5～4h，随炉冷至100℃出炉。

作为优选方案，本发明一种医用超声换能器用预应力螺栓的制备方法，所述螺栓以质量百分比计包括下述组分：