一种生物医用钛合金TC4ELI棒/线材的制造方法技术

本发明专利技术属于医用金属材料技术领域，具体涉及一种生物医用钛合金TC4ELI棒/线材的制造方法，具体的为，采用铝热法生产的钒‑铝中间合金和补铝进行一次真空熔炼，真空熔炼过程中加入微量强化元素锡和锆，以及微量的细化晶粒元素稀土，制成新成分中间合金，新成分中间合金与海绵钛配料，形成TC4ELI钛合金铸锭，最后制成TC4ELI钛合金棒/线材。本发明专利技术工艺稳定，避免了熔炼铸锭补充单质铝元素造成的区域偏析，保证微量元素的均匀性。

A Manufacturing Method of TC4ELI Bar/Wire for Biomedical Titanium Alloy

The invention belongs to the technical field of medical metal materials, and specifically relates to a manufacturing method for TC4ELI rod/wire of biomedical titanium alloy. Specifically, vanadium-aluminium master alloy produced by aluminothermic method and supplementary aluminium are smelted in vacuum once, trace strengthening elements tin and zirconium are added in the vacuum smelting process, and trace refined grain elements rare earth are added to make new component master alloy. TC4ELI titanium alloy ingot was formed by mixing the ingredient master alloy with sponge titanium, and finally TC4ELI titanium alloy rod/wire was made. The process of the invention is stable, avoids the regional segregation caused by the addition of elemental aluminum element to the melting ingot, and ensures the uniformity of trace elements.

【技术实现步骤摘要】
一种生物医用钛合金TC4ELI棒/线材的制造方法
本专利技术属于医用金属材料
，具体涉及一种生物医用钛合金TC4ELI棒/线材的制造方法。
技术介绍
在生物医用金属材料中，钛及其合金凭借优良的综合性能，成为人工关节(髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等)、骨创伤产品(髓内钉、钢板、螺钉等)、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托、牙矫形丝、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用内植物产品的首选材料。具有高断裂韧性、低裂纹扩展速率、低间隙元素型Ti-6A1-4VELI(国内牌号TC4ELI)高损伤容限钛合金，得到广泛应用，目前占80％以上钛合金植入物产品使用这种合金，TC4ELI棒(线)加工材是最常用材料制品。TC4ELI钛合金棒(线)国内有很多公司生产该产品，但是同类产品一直达不到进口产品水平，特别是力学性能，晶粒度普遍低于发达国家产品。使用国内材料制造的医用制品在临床应用过程中出现各种问题。特别是对于骨股头、膝关节、螺钉等承力部件，发生过折断、裂纹、脱落感染等事故。分析原因大多数是由于所使用的TC4ELI钛合金材料力学性能不稳定，组织不一致；断裂韧性低，应力集中，疲劳破坏造成的。TC4ELI钛合金是典型的(α+β)二相合金，对其加工材力学性能和组织起决定性作用的是化学成分和热加工工艺。具体表现在：①主成分的分布的均匀一致性。TC4ELI钛合金国内外标准都是化学成分范围比较大，成分偏差要求不高，但是其合金的组织和性能取决于合金中稳定α相的铝和稳定β相的钒的相对比例和α，β二相的形态，必须确定主成分比例差异对组织性能的影响。②杂质含量分布的均匀一致性。TC4ELI钛合金虽然标准本身要求了低的间隙元素含量，但是杂质元素对该合金的断裂韧性、裂纹扩展速率影响非常大，原则上O、N、H、C、Fe不仅含量要低，更重要的是在生产棒/线原料的钛合金铸锭中就要铸锭的上中下和铸锭内外均匀一致。国内传统的TC4ELI钛合金加工材制造过程中，铸锭熔炼铝，钒元素是以中间合金方法加入的。熔炼配料使用的中间合金是铝热法生产的钒-铝中间合金。这种方法制造的中间合金，在大气环境下生产，O、C、N等杂质含量很难控制，V的含量更是每一炉中间合金均匀性都无法一致。中间合金质量是钛合金铸锭质量的重要影响因素，进而影响了棒，线材质量。
技术实现思路
本专利技术主要提供了一种生物医用钛合金TC4ELI棒/线材的制造方法，该工艺避免了熔炼铸锭补充单质铝元素造成的区域偏析，保证微量元素的均匀性。本专利技术为达到超低杂质元素，Al、V比例合理均匀，同时加入强化钛合金元素细化晶粒的微量元素，设计制备新的中间合金及生产工艺路线。一种生物医用钛合金TC4ELI棒/线材的制造方法，包括以下步骤：(1)新成分中间合金的制备国内传统的TC4ELI钛合金铸锭生产配料方法是：铝热法生产的钒—铝中间合金加纯铝补铝配料。由于补铝的方法是钒-铝中间合金包中加铝粒，容易造成铝的区域微偏析。本专利技术采用铝热法生产的钒-铝中间合金和补铝进行一次真空熔炼，避免了熔炼铸锭补充单质铝元素造成的区域偏析。同时，根据微合金化复合强化理论，真空熔炼过程中加入微量强化元素锡和锆，以及微量的细化晶粒元素稀土，制成的新成分中间合金成分为：O＜0.06％、N＜0.01％、C＜0.01％、Fe＜0.15％、0＜Sn＜0.1％、0＜Zr＜0.1％、0＜RE＜0.1％，余量为V和Al，且V:Al＝4:6；(2)TC4ELI钛合金铸锭的制备将新成分中间合金、海绵钛配料，采用真空自耗电弧炉进行二次真空熔炼，TC4ELI钛合金铸锭的成分为：O＜0.10％、H＜0.005％、N＜0.01％、C＜0.03％、Fe＜0.15％、6.10％≤Al≤6.20％、4.10％≤V≤4.20％、0＜Sn＜0.09％、0＜Zr＜0.09％、0＜RE＜0.03％，余量为Ti。因为真空自耗水冷铜坩埚冷却速度是有限的，熔炼速度一定情况下，熔炼过程热量的积累，铸锭凝固速度也是变化的。因此为了保证铸锭主成分和微量元素，杂质不生产偏析，质量一致，熔炼速度要根据情况和熔炼铸锭到达的位置进行调整。原则是熔炼速度比纯钛低，便于合金元素扩散和均匀化。(3)TC4ELI钛合金棒/线材的制备对于直径＞30mm的TC4ELI棒/线材，其制备工艺为：铸锭开坯、坯料修整、热轧、去氧化皮、调直、磨光、探伤检查；对于直径≤30mm的TC4ELI棒/线材，其制备工艺为：铸锭开坯、坯料修整、热轧、拉拔、退火、去氧化皮、调直、磨光、探伤检查。优选的，步骤(3)TC4ELI钛合金棒/线材的制备工艺中，对于直径≤30mm的TC4ELI棒材其拉拔方法为，热拉拔温度对棒、线组织和机械性能有决定性影响，为保证TC4ELI钛合金性能稳定，热拉拔必须在(α+β)二相温度下进行。由于每批次铸锭化学成分的差异，相变点不同，先测定TC4ELI钛合金从α+β相到β相的相变温度，热拉拔温度为低于相变温度100-160℃，且热拉拔总变形率＞80％。优选的，所述TC4ELI钛合金铸锭的直径为380-480mm。优选的，步骤(3)中铸锭开坯的工艺为，火次变形率＞38％，采用电炉加热温度为950-1050℃，保温1-2小时。优选的，步骤(2)TC4ELI钛合金铸锭的制备工艺中，采用真空自耗电弧炉进行二次熔炼的具体方法为，将新成分中间合金、海绵钛配料，将混好的原料在液压机上进行挤压，制成自耗电极块，等离子真空焊接机组焊自耗电极，进行第一次真空自耗炉熔炼，熔炼好后进行一次真空自耗铸锭修磨；二次熔炼采用真空焊接机组焊自耗电极，进行第二次真空自耗炉熔炼，熔炼好后进行二次真空自耗铸锭修磨。采用上述方案，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术采用钒-铝中间和补铝一起再一次真空熔炼的方式，把铝直接按设计成分一次性补足到铝热法钒-铝中间合金中进行熔炼成新的成分钒-铝中间合金，避免了熔炼铸锭补充单质铝元素造成的区域偏析。同时，根据微合金化复合强化理论，真空熔炼新成分中间合金过程中加人了微量钛合金中性强化元素锡和锆，微量的细化晶粒元素稀土。既能够完全符合国内外标准范围内(TC4ELI钛合金其他元素含量单一元素＜0.1％，其他元素总和＜0.3的规定)，也能够保证这些微量元素的均匀性；(2)为了保证铸锭主成分和微量元素，杂质不产生偏析，质量一致，TC4ELIT钛合金采用真空自耗电弧炉熔炼，二次真空熔炼，便于合金元素扩散和均匀化；(3)对于直径＜30mm的TC4ELI棒/线材，采用拉拔加工处理，拉拔温度控制为低于相变点100-160℃，保证了热拉拔在(α+β)二相温度下进行，使TC4ELI钛合金性能稳定。具体实施方式以下实施例中的实验方法如无特殊规定，均为常规方法，所涉及的实验试剂及材料如无特殊规定均为常规生化试剂和材料。专利技术实现了一种全新的在国内外标准范围内TC4ELI钛合金主成分设计理论和杂质控制方法：防止主成分区域微偏析的中间合金制造方法；微合金多元强化；超低N,H,C杂质含量和微量元素细化晶粒。一、新成分中间合金制备国内传统的TC4ELI钛合金加工材制造过程中，铸锭熔炼铝，钒元素是以中间合金方法加入的。熔炼配料使用的中间合金是铝热法生产的钒-铝中间合金。这种方法制造的中间合金，在大气环境下生产，O、C、N等杂质含量很难控制，V的含量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物医用钛合金TC4ELI棒/线材的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)新成分中间合金的制备采用铝热法生产的钒‑铝中间合金和补铝进行一次真空熔炼，真空熔炼过程中加入微量强化元素锡和锆，以及微量的细化晶粒元素稀土，制成的新成分中间合金成分为：O＜0.06％、N＜0.01％、C＜0.01％、Fe＜0.15％、0＜Sn＜0.1％、0＜Zr＜0.1％、0＜RE＜0.1％，余量为V和Al，且V:Al＝4:6；(2)TC4ELI钛合金铸锭的制备将新成分中间合金、海绵钛配料，采用真空自耗电弧炉进行二次真空熔炼，TC4ELI钛合金铸锭的成分为：O＜0.10％、H＜0.005％、N＜0.01％、C＜0.03％、Fe＜0.15％、6.10％≤Al≤6.20％、4.10％≤V≤4.20％、0＜Sn＜0.09％、0＜Zr＜0.09％、0＜RE＜0.03％，余量为Ti；(3)TC4ELI钛合金棒/线材的制备对于直径＞30mm的TC4ELI棒/线材，其制备工艺为：铸锭开坯、坯料修整、热轧、去氧化皮、调直、磨光、探伤检查；对于直径≤30mm的TC4ELI棒/线材，其制备工艺为：铸锭开坯、坯料修整、热轧、拉拔、退火、去氧化皮、调直、磨光、探伤检查。...

【技术特征摘要】
1.一种生物医用钛合金TC4ELI棒/线材的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)新成分中间合金的制备采用铝热法生产的钒-铝中间合金和补铝进行一次真空熔炼，真空熔炼过程中加入微量强化元素锡和锆，以及微量的细化晶粒元素稀土，制成的新成分中间合金成分为：O＜0.06％、N＜0.01％、C＜0.01％、Fe＜0.15％、0＜Sn＜0.1％、0＜Zr＜0.1％、0＜RE＜0.1％，余量为V和Al，且V:Al＝4:6；(2)TC4ELI钛合金铸锭的制备将新成分中间合金、海绵钛配料，采用真空自耗电弧炉进行二次真空熔炼，TC4ELI钛合金铸锭的成分为：O＜0.10％、H＜0.005％、N＜0.01％、C＜0.03％、Fe＜0.15％、6.10％≤Al≤6.20％、4.10％≤V≤4.20％、0＜Sn＜0.09％、0＜Zr＜0.09％、0＜RE＜0.03％，余量为Ti；(3)TC4ELI钛合金棒/线材的制备对于直径＞30mm的TC4ELI棒/线材，其制备工艺为：铸锭开坯、坯料修整、热轧、去氧化皮、调直、磨光、探伤检查；对于直径≤30mm的TC4ELI棒/线材，其制备工艺为：铸锭开坯、坯料修整、热轧、拉拔、退火、去氧化皮、调直、磨光、探伤检查。2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹权丰，
申请(专利权)人：沈阳中核舰航特材科技常州有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32