本发明专利技术公开了一种超声骨刀工作尖用高强度耐疲劳钛合金及其制造方法，包括下述以质量百分比计的组分：Cu 15～30％，Ta 2～10％，余量为Ti，采用搅拌摩擦加工方法对钛合金板材进行处理，再通过真空退火部分消除工作尖毛坯的残余应力，得到超声骨刀工作尖用高强度耐疲劳钛合金。本发明专利技术的钛合金不仅具有良好的强度和硬度，同时还具有良好的抗疲劳性能，能够满足长寿命工作尖的需求。长寿命工作尖的需求。
【技术实现步骤摘要】
一种超声骨刀工作尖用高强度耐疲劳钛合金及其制造方法
[0001]本专利技术属于钛合金领域，具体涉及一种超声骨刀工作尖用高强度耐疲劳钛合金及其制造方法。
技术介绍
[0002]超声骨刀是利用高强度聚焦超声技术进行骨手术的一种医疗器械，该刀通过压电效应，使交流电流在压电陶瓷作用下由电能转换为高频率的机械振动，通过空化效应、共振效应及机械碎裂作用而发挥骨切割作用。超声骨刀独特的技术原理，使其相较于传统骨切割工具拥有独特的优点：
①
选择性切割：超声骨刀特定的工作频率和振幅，使其可切割坚硬的骨组织，而具有不同组织密度和弹力属性的血管、神经、硬脊膜等软组织结构，在此频率和振幅下可通过轻微位移避免损伤；
②
切割精准平滑：超声骨刀独特的扁平刀头使其易于控制，切割更加精准；
③
自带冲洗冷却系统：超声骨刀搭配有冲洗冷却系统，使用过程中可通过喷洒水流对截骨部位进行冲洗和降温，从而避免高温造成局部组织热损伤；
④
术野清晰：超声骨刀在使用过程中产生的瞬时高温和空化效应有一定的局部止血作用，而持续不断的水流冲洗使操作中无烟雾产生，可保持术野清晰，方便手术操作；
⑤
防卷刮：超声骨刀独特的切割原理可使其避免在操作过程中卷刮周围其他软组织，避免造成血管、神经、硬脊膜损伤；
⑥
操作便捷：超声骨刀工作尖细小、整体结构较轻，操作过程中手柄振动幅度小、稳定性高；
⑦
有利于骨愈合：超声骨刀切割精准平滑，可减少不必要的骨丢失。
[0003]超声骨刀工作尖是超声骨刀的输出部分，直接作用于骨组织表面，在实际应用中，工作尖的切割效率与切割寿命难以兼顾，是目前困扰临床应用的重要问题。在切割过程中，由于超声波引发的高频振荡，工作尖承受大应力的高周疲劳，疲劳裂纹极易萌生、扩展。治疗过程中工作尖的异常断裂不仅影响治疗效果和患者的手术体验，也带来了不必要的手术风险。
[0004]目前超声骨刀工作尖材料一般采用传统医用材料，如马氏体不锈钢、Ti
‑
6Al
‑
4V钛合金等。以上材料具有良好的生物相容性，但高周疲劳性能、耐磨性相对较差，在实际应用中疲劳断裂时有发生。目前国内外对超声骨刀工作尖的改进优化主要集中在结构设计方面，通过优化高应力区的外形，降低应力集中程度，提高超声骨刀工作尖的使用寿命。但是受工作尖本身的工作特性所限，难以做到充分优化。因此急需开发一种工作尖用抗疲劳、耐磨损材料，并完善对应的制备方法，满足工作尖对于高效率、长寿命的迫切需求。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种超声骨刀工作尖用高强度耐疲劳钛合金及其制造方法，该钛合金不仅具有良好的强度和硬度，同时还具有良好的抗疲劳性能，能够满足长寿命工作尖的需求。
[0006]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：
[0007]一种超声骨刀工作尖用高强度耐疲劳钛合金，包括下述以质量百分比计的组分：
Cu 15～30％，Ta 2～10％，余量为Ti。其中合金成分的优选范围为：Cu20～25％，Ta 5～9％，余量为Ti。
[0008]具体的，所述超声骨刀工作尖用高强度耐疲劳钛合金，其典型优选成分如下述以质量百分比计的组分：
[0009](1)Cu 25wt％，Ta 6wt％，余量为Ti；
[0010](2)Cu 22wt％，Ta 8wt％，余量为Ti；
[0011](3)Cu 20wt％，Ta 9wt％，余量为Ti。
[0012]所述超声骨刀工作尖用高强度耐疲劳钛合金的制备方法，包括下述步骤：
[0013](1)采用按质量百分比计的组分体系：Cu 15～30％、Ta 2～10％、余量为Ti，通过真空自耗熔炼制备出钛合金铸锭；
[0014](2)将钛合金铸锭进行锻造、轧制，制备出钛合金板材；
[0015](3)采用搅拌摩擦加工方法对钛合金板材进行处理；
[0016](4)通过机加工方法，制备出工作尖毛坯；
[0017](5)通过真空退火部分消除工作尖毛坯的残余应力，得到超声骨刀工作尖用高强度耐疲劳钛合金。
[0018]步骤(3)中，采用搅拌摩擦加工方法的工艺为：搅拌头转速为300～500rpm，加工速度为10～50mm/min。加工过程中根据工艺参数的不同可进行强制冷却，也可不进行强制冷却。优选搅拌头转速为350～450rpm，加工速度为30～40mm/min，加工过程中不进行强制冷却。
[0019]步骤(5)中，退火的温度为250～450℃，退火时间为20～60min；优选350～450℃退火处理30～40min。
[0020]本专利技术的原理是：(1)本专利技术添加了15～30wt％的Cu元素，铜元素在钛中的固溶度较小，一般不起β稳定作用，而是在凝固过程中形成Ti2Cu析出相，抑制晶粒长大、提高合金的强度与硬度，但Ti2Cu析出相过多时易团聚，大幅度降低塑性，需通过合金设计、制备方法加以补偿；因此，本专利技术在合金设计方面，加入β稳定元素Ta形成一定数量的β相，体心立方的β相滑移系多、位错易滑移，可提高合金塑性；(2)本专利技术添加了2
‑
10wt％的Ta元素，钽元素在钛中可形成无限互溶固溶体，起固溶强化作用，同时钽能稳定钛的β相，对保证材料塑性、提高疲劳性能具有一定的作用。(3)本专利技术对钛合金板材进行搅拌摩擦处理，获得大塑性变形，使团聚的Ti2Cu析出相充分分散，细化钛合金晶粒，裂纹不易形成和扩展，合金强度、塑性和抗疲劳性随之提高。
[0021]本专利技术与现有技术相比具有如下优点和效果：
[0022](1)本专利技术中的钛合金为近β钛合金，含有Cu、Ta等合金元素；其中Cu在钛基体中的溶解度较小，一般以Ti2Cu析出相形式存在，能够细化晶粒、提高疲劳强度与耐磨性；Ta元素为β相稳定元素，能够提高强度的同时稳定β相，提高材料塑性变形能力；该钛合金具有很高的塑性、韧性，且与强度的匹配性保持一致。
[0023](2)本专利技术通过搅拌摩擦处理，解决了Ti2Cu析出相难以充分破碎、合金延伸率不高的问题，获得的材料具有良好的强度与塑性；搅拌摩擦处理前，钛合金板材的抗拉强度R
m
一般不高于800MPa、屈服强度R
P0.2
一般不高于650MPa、延伸率A一般不高于6％、硬度一般不高于400HV，疲劳极限一般不高于500MPa；而搅拌摩擦处理后钛合金板材可实现R
m
≥
1300MPa、R
P0.2
≥1150MPa、A≥8％、硬度≥400HV，疲劳极限≥800MPa。可见搅拌摩擦处理同时提高了材料的强度、硬度和塑性，效果显著。
[0024](3)本专利技术通过搅拌摩擦处理，在材料中形成了一定的压应力，在工作尖的使用过程中，能够有效防止裂纹萌生，显著提高材料疲劳寿命。
[0025](4)本专利技术的合金在生物医用领域，尤其是本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种超声骨刀工作尖用高强度耐疲劳钛合金，其特征在于：包括下述以质量百分比计的组分：Cu 15～30％，Ta 2～10％，余量为Ti。2.根据权要求1所述的超声骨刀工作尖用高强度耐疲劳钛合金，其特征在于：合金成分的范围为：Cu 20～25％，Ta 5～9％，余量为Ti。3.根据权要求1所述的超声骨刀工作尖用高强度耐疲劳钛合金，其特征在于：其成分如下述以质量百分比计的组分：(1)Cu 25wt％，Ta 6wt％，余量为Ti；(2)Cu 22wt％，Ta 8wt％，余量为Ti；(3)Cu 20wt％，Ta 9wt％，余量为Ti。4.一种权利要求1～3中任一项所述的超声骨刀工作尖用高强度耐疲劳钛合金的制备方法，其特征在于包括下述步骤：(1)采用按质量百分比计的组分体系：Cu 15～30％、Ta 2～10％、余量为Ti，通过真空自耗熔炼制备出钛合金铸锭；(2)将钛合金铸锭进行锻造、轧制，制备出钛合金板材；(3)采用搅拌摩擦加...
【专利技术属性】
技术研发人员：叶雨，
申请(专利权)人：合肥博雅迈特生物材料有限公司，
类型：发明
国别省市：
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