一种钛钽合金的表面处理方法、应用及钛钽合金技术

本发明专利技术属于金属表面处理技术领域，尤其涉及一种钛钽合金的表面处理方法、应用及钛钽合金。本发明专利技术所述方法包括：对钛钽合金表面进行预处理，预处理后对钛钽合金表面进行表面纳米化处理；所述表面纳米化处理包括机械碾磨和/或球磨和/或喷丸。本发明专利技术通过简洁高效的工艺能够实现钛钽合金表面处理，使钛钽合金表面形成微纳复合梯度层结构，以该层结构实现对钛钽合金的力学性能强化和表面功能化改性，使得钛钽合金表面的抗细菌黏附性能得到显著的提升，能够更加有效地用作人体植入器械材料。能够更加有效地用作人体植入器械材料。能够更加有效地用作人体植入器械材料。

【技术实现步骤摘要】
一种钛钽合金的表面处理方法、应用及钛钽合金


[0001]本专利技术属于金属表面处理
，尤其涉及一种钛钽合金的表面处理方法、应用及钛钽合金。

技术介绍

[0002]钛合金以其优异的生物相容性、优良的加工性能，被认为是外科植入物的理想材料，在高端金属器械产品里已出现许多里程碑式的应用。其中，钛钽系合金作为新型医用钛合金的代表之一，具有良好的生物相容性和耐腐蚀性，然而由于钛钽合金的强塑性不匹配，导致其力学性能达不到使用标准，无法在各种循环载荷的影响下顺利工作，限制了其生物医学应用。此外，钛钽合金植入人体后，极易引起细菌等微生物在其表面黏附，细菌黏附到材料表面后开始增殖，最终达到足够高的密度以形成生物膜感染，感染一旦出现，可能引起局部组织破坏和植入物失效，也可能导致严重的疾病和并发症。因此，有必要寻求一种高效的表面处理方法来提高钛钽异质结构合金的力学性能和限制细菌的初始黏附。
[0003]近些年，相关研究人员开发了表面纳米化技术，即利用特定方法将材料表面的粗晶组织逐渐细化至具有一定厚度的纳米层结构，其基体部分仍然保持原有的粗晶组织结构。表面纳米化后，梯度结构层与粗晶基体层之间存在“协同强化”效应，此外，在拉伸过程中梯度结构组织之间的协调变形，可有效地抑制表层纳米晶粒变形产生的应变集中和早期颈缩，从而延迟了表面纳米晶粒结构的变形局域化和裂纹萌生，因此可以表现出良好的拉伸性能。纳米晶可以增加比表面积、微观粗糙度和润湿性，从而增强材料的生物活性。此外，纳米结构表面具有更高的表面能，可表现出更好的亲水性，能够快速在钛钽异质结构合金表面附近结合水分子形成水化层，阻隔细菌与表面的相互接触，从而减少细菌黏附。
[0004]但这些方法也存在一些问题，如不能处理较大尺寸或具有复杂形状的零件，设备昂贵、工艺复杂等。因此，需要开发一种工艺简单且能够实现复杂形状或大尺寸零件表面纳米化的方法来推进纳米化工艺在实际生产中的应用。

技术实现思路

[0005]为解决现有表面纳米化处理方法存在工艺复杂、加工难度大，且普遍设备昂贵、无法对具有复杂形状的零件进行处理等问题，本专利技术提供了一种钛钽合金的表面处理方法，及其应用，以及通过本专利技术方法所制得的钛钽合金。
[0006]本专利技术的目的在于：一、能够以低成本、简单易行的方法实现钛钽合金表面的纳米化；二、能够应用于复杂形状的零件处理。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0008]一种钛钽合金的表面处理方法，所述方法包括：
对钛钽合金表面进行预处理，预处理后对钛钽合金表面进行表面纳米化处理；所述表面纳米化处理包括机械碾磨和/或球磨和/或喷丸。
[0009]对于本专利技术而言，通过简洁高效的机械处理方式即能够非常有效地提高钛钽合金的机械性能和抗细菌黏附性能。其主要分为两个过程，第一个过程是预处理，预处理过程中对钛钽合金表面的晶相结构进行改善、调整，并使其具备进一步纳米化处理的基础。第二个过程的纳米化处理，是基于预处理的结果进行纳米化的方式，针对于不同的预处理结果，本专利技术提供了三种不同的纳米化处理方式与之配合。
[0010]作为优选，所述钛钽合金为钛钽异质结构合金。
[0011]钛钽合金的均质结构合金和异质结构合金本身在其机械性能上存在一定的区别。如晶粒结构的不同，均质结构各个纳米级层结构之间具有更小的间距和更高的L
‑
C锁(Lomer
‑
Cottrell锁)密度，导致其具有更好的拉伸延展性，阻止了位错滑移以及位错累积。而异质材料合金更容易产生缺陷，使得晶粒更加容易发生碎裂和细化，并实现位错累积。而对于本专利技术技术方案而言，位错累积以及晶粒细化等过程显然是提高处理效果的关键因素，因而对于本专利技术技术方案而言，钛钽异质结构合金具有明显更优的使用效果。
[0012]作为优选，所述预处理包括打磨和/或抛光和/或超声清洗，且至少进行打磨处理。
[0013]对于本专利技术技术方案而言，打磨处理是必不可少的过程。通常条件下，经过轧制处理和线切割的钛钽异质结构合金表面具有较厚的氧化层，氧化层对于钛钽合金的力学性能是有影响的，所以再本专利技术技术方案中，通过对异质结构的钛钽合金进行打磨，能够再一定程度上去除氧化层，有利于后续的表面纳米化处理进行。
[0014]作为优选，所述打磨至少进行四次，且随着打磨过程的进行打磨目数递增，相邻两次打磨之间打磨目数差值≥200目，且最后一次打磨目数为1100～1300目。
[0015]对于本专利技术技术方案而言，需要对打磨过程进行较为严格的控制。尤其对于打磨目数的控制，最重要的是确保最后一次的打磨目数应当在1100～1300目之间，目数过小则无法有效实现亚微米化或微纳米化，无法有效利用异质结构钛钽合金的优势，而目数过大，则由于异质结构钛钽合金自身的特点，容易导致打磨形成的微米晶粒、微纳米晶粒的损失，保留率低。而控制打磨次数以及相邻打磨之间的目数差，则是为了提高所形成的微米晶粒、微纳米晶粒的稳定性。
[0016]作为优选，所述机械碾磨过程中，控制道次下压量为25～100μm、碾压道次为3～5次，总下压量为100～400μm，且碾磨头进给速率为60～120mm/min。
[0017]机械碾磨与常规的机械研磨有着本质的区别，机械研磨主要起到细化晶粒等作用，而本专利技术的机械碾磨则是将所述基体材料固定至带有碾磨工装的所述数控机床，根据基体材料的强度和厚度，对所述碾磨头的下压量进行选择；所述数控机床驱动所述碾磨头采用预设的下压量对所述钛合金板进行表面碾磨处理，在金属表面产生较深的残余压应力层和硬化层。
[0018]结合前述的打磨过程，能够实现纳米晶层的进一步细化，增大纳米晶层厚度。
[0019]作为优选，所述球磨在保护气氛中进行，控制球料质量比为(4～5)：1，磨球直径为5～10mm，球磨转速为400～600r/min，球磨时间为12～24h。
[0020]本专利技术所述球磨并非是常规的破碎式球磨，而是新型的精加工球磨抛光技术。具体的，本专利技术球磨是在Haas CNC立式加工中心VF
‑
3上进行的。球磨抛光技术与机械碾磨有所不同，机械碾磨着重于采用强压作用，在打磨过程形成的细小微纳晶粒的基础上，以“铆”的方式将其压入至基体中并施加巨大的作用力使得晶粒破碎和细化产生连锁反应，最终通过强压力形成纳米晶层和过渡层，所形成的纳米晶层厚度相对于球磨更大，而球磨则是在形成采用动态加压的方式，更加着重于位错的形成和累积。因而两者存在较为显著的区别。
[0021]作为优选，所述喷丸过程控制喷丸介质直径为0.3～2.0mm，喷丸时间为15～60min，喷丸介质喷速为30～60m/s。
[0022]喷丸是相较最为常见的表面处理方式，在喷丸处理的过程中，喷丸介质密集作用在基材表面，形成连续的冲击作用，使得钛钽合金表面晶粒不断地细化、碎裂，而在打磨过程中所形成的微纳晶粒会进一步加剧该过程，在钛钽合金表面形成厚度相较机械碾磨更大的纳米晶层。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛钽合金的表面处理方法，其特征在于，所述方法包括：对钛钽合金表面进行预处理，预处理后对钛钽合金表面进行表面纳米化处理；所述表面纳米化处理包括机械碾磨和/或球磨和/或喷丸。2.根据权利要求1所述的一种钛钽合金的表面处理方法，其特征在于，所述钛钽合金为钛钽异质结构合金。3.根据权利要求1所述的一种钛钽合金的表面处理方法，其特征在于，所述预处理包括打磨和/或抛光和/或超声清洗，且至少进行打磨处理。4.根据权利要求3所述的一种钛钽合金的表面处理方法，其特征在于，所述打磨至少进行四次，且随着打磨过程的进行打磨目数递增，相邻两次打磨之间打磨目数差值≥200目，且最后一次打磨目数为1100～1300目。5.根据权利要求1所述的一种钛钽合金的表面处理方法，其特征在于，所述机械碾磨过程中，控制道次下压量为25～100μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张惠斌，沈凯杰，郑国渠，曹华珍，徐圣航，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：