激光淬火技術(shù)制備增強醫(yī)用β鈦合金超彈性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種用于外科植入領(lǐng)域的低彈性模量醫(yī)用β鈦合金的表面改性方法，具體是采用激光淬火表面處理技術(shù)對T1-35Nb-2Ta-3Zr(wt.% ) β鈦合金進行表面改性，通過激光淬火工藝，提高醫(yī)用β鈦合金的超彈性能。
【背景技術(shù)】
[0002]20世紀(jì)50年代初期，在英國和美國，純鈦首先被用來制造接骨板、髖關(guān)節(jié)、髓內(nèi)釘和螺釘?shù)壬镝t(yī)用材料。但臨床發(fā)現(xiàn)，純鈦制造的髖關(guān)節(jié)和髓內(nèi)釘?shù)膹姸?、剛度明顯不足。從二十世紀(jì)九十年代開始，新型鈦合金的研制開發(fā)就成為醫(yī)用材料的開發(fā)重點。然而，鈦合金的彈性模量如果太高，置于生物體內(nèi)易產(chǎn)生“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)。鈦合金在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用不只是對其生物相容性、耐蝕性等有所要求，在保證生物安全性的基礎(chǔ)上，對其力學(xué)性能也有具體的要求。
[0003]目前制備的生物醫(yī)用鈦及鈦合金還存在著如硬度低、耐高溫性較差、導(dǎo)電性和可焊性不良、耐磨性不好等缺陷，由于其應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，對其材料的性能要求也更高。通常我們需要采用表面處理或表面改性的方法改善和提高鈦及鈦合金的使用特性，現(xiàn)有技術(shù)中主要通過微弧氧化法、滲碳處理、溶膠凝膠、氣相沉積、等離子噴涂、離子注入、攪拌摩擦焊接等技術(shù)對鈦及鈦合金進行表面處理或改性，但效果不是很理想。因此，開發(fā)一種新的表面處理或改性方法以提高生物醫(yī)用鈦及鈦合金的超彈性能，使其滿足使用要求，將具有廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中的局限性，本發(fā)明的目的是提供一種激光淬火技術(shù)增強醫(yī)用β鈦合金超彈性能的方法。本技術(shù)應(yīng)用于自制研發(fā)的醫(yī)用β鈦合金中，此β鈦合金具有低彈性模量、無毒性，用于植入外科醫(yī)用領(lǐng)域。針對現(xiàn)有技術(shù)及應(yīng)用要求，將激光淬火技術(shù)對醫(yī)用β欽合金表面改性，提尚材料的超彈性能。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明提供了一種激光淬火技術(shù)制備增強醫(yī)用β鈦合金超彈性能的方法，包括以下步驟:
[0007](a)、材料表面處理:將乳制退火后的β鈦合金表面打磨去除氧化皮、矯直，同時保證表面光滑與平整度，再用丙酮清洗以保持試樣表面清潔；
[0008](b)、固定加工試樣:將試樣用夾具固定在半導(dǎo)體激光設(shè)備的工作臺上，經(jīng)步驟(a)處理的表面朝上，并設(shè)置激光淬火的工藝參數(shù)，加工過程中保證激光淬火過程中材料不被氧化；
[0009](C)、材料表面處理:對步驟(b)中固定后的醫(yī)用β鈦合金進行激光淬火表面改性；加工過程中用氬氣保護，加工道次為I道次。鈦合金在表面改性過程中具有吸氣性的特點，加工過程中用氬氣保護，有效避免了鈦合金在熔化過程中與空氣接觸發(fā)生腐蝕。
[0010]優(yōu)選地，所述的醫(yī)用β鈦合金的成分及質(zhì)量百分比為:Nb:35%，Ta:2%，Zr:3%，T1:60%o Nb:35% ,Ta: 2% ,Zr:3%, T1:60% ο 在 β 鈦合金中，Nb、Ta、Zr 等元素的加入一方面具有較好的生物相容性，可以減小或避免長期植入體內(nèi)會對身體造成的毒性作用，成為醫(yī)用β鈦合金材料開發(fā)的重點；另一方面，以T1-Nb，T1-Ta, T1-Zr為基體的β鈦合金相比較其他常用的鈦合金，可以獲得更低的彈性模量和更高的強度，可以減少或避免鈦合金具有較大的彈性模量，植入體內(nèi)造成“應(yīng)力屏蔽”現(xiàn)象。故此配比的β鈦合金材料具有較大的醫(yī)用潛力。
[0011]β鈦合金結(jié)構(gòu)為T1-35Nb-2Ta-3Zr。由于Nb、Ta、和Zr元素的加入，此β型鈦合金具有低彈性模量和生物相容性(無毒)的優(yōu)勢。
[0012]優(yōu)選地，所述的β鈦合金T1-35Nb-2Ta_3Zr的制備方法包括:
[0013]步驟一、采用真空自耗熔煉技術(shù)設(shè)計Nb、Ta和Zr的含量，與海綿鈦混合后壓制成型，并將鑄錠至少淬火兩次；
[0014]步驟二、將淬火后的鑄錠經(jīng)機加工后用氬弧焊與輔助電極焊合，重新在真空自耗電弧爐熔煉；
[0015]步驟三、將熔煉后的錠子在950 °C熱鍛，去除材料表面氧化皮，在920 °C?950 °C對材料進行乳制變形后退火處理。
[0016]優(yōu)選地，為了保證激光淬火的淬透性，步驟(a)所述乳制退火后的β鈦合金厚度為 0.5 ?Imnin
[0017]優(yōu)選地，步驟(a)所述乳制退火的退火時間為3?5min，以獲得原始態(tài)組織。
[0018]優(yōu)選地，所述的步驟(b)中，采用的激光器類型為ROFIN DL 035Q半導(dǎo)體激光器，激光最大功率為3.5千瓦，其輸出激光的波長為808nm?940nm。
[0019]優(yōu)選地，所述的步驟(b)中，激光淬火的工藝參數(shù)為功率450W?600W，掃描速度6?16mm/s。當(dāng)激光功率小于450W且掃描速度小于6mm/s時，β鈦合金的改性層發(fā)生恪化再凝固，不能形成淬火組織。
[0020]優(yōu)選地，所述的步驟(C)中，進行激光淬火時的激光束能量分布為慢軸方向成高帽分布，在快軸方向呈高斯分布。
[0021]優(yōu)選地，所述的步驟(C)中，進行激光淬火時激光焦點處斑點為矩形，其尺寸為
2.0mmX 3.3mm ;激光器與β鈦合金表面的距離為5mm。
[0022]優(yōu)選地，所述的步驟(c)中，氬氣的氣體流量設(shè)定為20?30L/min。
[0023]本發(fā)明所述激光重熔技術(shù)是激光表面改性方法的一種，激光表面改性技術(shù)能夠改善材料表面性能，在提高材料使用壽命方面具有突出的優(yōu)越性。激光表面改性技術(shù)處理后的改性層稀釋率低，改性層厚度容易控制，改性層與基體呈牢固的冶金結(jié)合，且激光表面改性處理速度快、熱影響區(qū)小，不會引起基體材料性能和尺寸的變化。采用激光淬火技術(shù)主要是利用高能量密度的激光束，將材料表面加熱到相變點以上，使材料快速冷卻，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而使材料的力學(xué)性能發(fā)生變化。
[0024]本發(fā)明通過激光淬火技術(shù)對自制β鈦合金T1-35Nb-2Ta_3Zr進行表面改性，針對鈦合金在表面改性過程中具有吸氣性的特點，防止鈦合金在熔化過程中與空氣接觸發(fā)生氧化，實驗表明保護氣體流量設(shè)定為20-30L/min較為適宜。激光表面淬火的硬化層深度一般為0.3?1.5mm，根據(jù)本專利中鈦合金的厚度范圍，為了保證材料的淬透性，淬火次數(shù)為I道次。通過激光淬火技術(shù)對β鈦合金的超彈性研究發(fā)現(xiàn)，由激光淬火誘發(fā)形成的馬氏體界面移動和重新取向造成了材料的超彈性特征。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0026]1、本發(fā)明的方法是在醫(yī)用β鈦合金表面進行激光淬火，顯著提高了鈦合金的超彈性能。
[0027]2、本發(fā)明的方法簡單易操作，工藝周期短，不需要額外的淬火介質(zhì)，工件變形小、改性層光滑潔凈，無需進行后續(xù)的精加工處理。具有很大的市場推廣和應(yīng)用價值。
[0028]3、本發(fā)明自制的醫(yī)用β鈦合金，由于其特定的成分和重量比，與現(xiàn)有技術(shù)的β鈦合金相比，具有低彈性模量、高強度、耐腐蝕性和生物相容性的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0029]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0030]圖1為醫(yī)用β鈦合金母材的超彈性能；
[0031]圖2為醫(yī)用β鈦合金經(jīng)過激光淬火后的超彈性能；
[0032]圖3為醫(yī)用β鈦合金經(jīng)過激光淬火后的宏觀金相圖；
[0033]圖4為醫(yī)用β鈦合金母材的金相組織圖；
[0034]圖5為醫(yī)用β鈦合金經(jīng)過激光淬火后的金相組織圖；
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