【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钛合金材料，更具体的说是涉及一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金、棒材及其制备方法和应用。
技术介绍
1、在医疗领域中广泛使用组织为α相的纯钛和α+β型ti-6al-4v成分为基础的钛及钛合金，纯钛在口腔医疗中使用较多，ti-6al-4v合金在人工关节、骨固定方面使用普遍，在医疗器械领域，专门为此开发的钛合金材料基本为空白。
2、超声骨刀是近年来医疗领域的新手术器械，在治疗过程中被广泛使用在骨切割场合，具有创伤小，手术时间缩短，对血管、神经、软组织没有损害的特点。一般情况下，ti-6al-4v钛合金材料制造的超声骨刀可以满足耐热温度400℃左右材料强度的使用要求。但是在骨密度高的部位，超声骨刀材料不仅要有足够的常温强度和刚度，还要有600℃高的耐热性。这是因为在切割高密度骨组织时，会有较高的热量产生，超声骨刀材料必须具有高的热硬性。实际使用过程中，要求制造的超声骨刀钛合金材料耐热温度要≥600℃，而目前国内外市场上绝大多数钛合金的耐热温度都无法满足这一要求。传统上，耐热钛合金是航空航天的重要材料，也是各国重点研发的热点材料。特别是用于制造飞机发动机的压气机轮盘和叶片的耐热钛合金材料，耐热要求都比较高，使用温度一般在500-550℃。但在制造医疗器械需要耐热温度更高的钛合金时，仍然没有专门可供选择的耐热钛合金牌号。
3、作为制造超声骨刀材料的钛合金棒来说，由于是细长杆结构，不仅要考虑到强度要足够高，还要充分注意钛合金材料的组织和性能要稳定可靠，而制造耐热钛合金需要较高含量的耐热合金元素，成分均匀
4、因此，如何开发一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金、棒材及其制备方法和应用是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金、棒材及其制备方法和应用。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金，按质量百分比计，包括下述各成分：al：6.0-7.0％，sn：1.80-2.20％，zr：2.80-3.20％，mo：4.80-5.20％，nb：0.80-1.20％，si：0.40-0.60％，c：0.03-0.05％，fe：＜0.015％，o：0.07-0.14％，ti余量。
4、本专利技术的有益效果：①耐热钛合金必须既要有相当数量的以铝为代表的稳定α相的合金元素，也同时必须有一定数量的以钼为代表的稳定β相的合金元素，保证组织的稳定性，避免出现脆性相，而影响力学性能。
5、②耐高温钛合金是国内外比较难突破的钛合金，因为提高50℃的耐热度都非常困难，因此必须加入高熔点的钼和铌元素，这两种元素成分范围对耐热钛合金影响起关键作用，因此必须与国内外其他同类钛合金有成分范围的区别。
6、③耐高温钛合金主要是飞机和火箭发动机使用，对疲劳强度要求很高，本专利技术材料是超声骨刀用材料对疲劳强度要求不高，对热强性要求高，所以必须准确加入硅，配合控制碳含量范围，因为铸锭熔炼过程中形成的碳化钛也是耐高温的化合物，对钛合金热强性也有很大影响。这是严格控制硅和碳成分的原因。
7、组织为近α型钛合金和极少部分可固溶强化的α+β型钛合金是理论上耐热性能最好的，这是因为稳定α相的铝含量比较高，结合其他中性合金元素，确定上述al、sn、zr的含量，为了防止钛合金中α〞脆性相出现，必须加入稳定β相的合金元素和提高耐热性的元素，确定上述mo、nb、si的含量。
8、规定本专利技术医用耐高温高强度超声骨刀钛合金牌号为ti65321。
9、进一步，al当量＞8.0，当量值由下列表达式计算：
10、al当量＝al+sn/3+zr/6+10×o。
11、本专利技术还提供一种所述医用耐高温高强度超声骨刀钛合金的制备方法，包括以下步骤：
12、(1)制造al-mo-si三元中间合金：
13、a、将纯铝豆、钼和硅放入石墨坩埚中采用铝热法进行火法冶炼得到中间合金铸，将得到的中间合金铸锭经过去皮冒口、破碎、混料，得到中间合金碎料，分析其成分；
14、b、将分析完成的中间合金碎料放入真空感应炉高纯石墨坩埚中进行真空熔炼，熔炼过程中，根据中间合金碎料成分加入硅来补充烧损硅，调整至合适的比例，浇注合金铸锭，铸锭扒皮、破碎，分析其成分，得到al-mo-si三元中间合金，控制其成分mo和si的质量比为10:1，al余量；
15、(2)制造ti-nb-sn三元中间合金：
16、a、将海绵钛和金属铌用真空电子束炉熔炼，熔炼好的铸锭经过扒皮，分析成分，进行机械加工切割，得到ti-nb合金块；
17、b、将切割后的ti-nb合金块放入水冷铜坩埚感应炉中熔化，彻底熔化后，在氩气保护气氛下，把锡块压入熔池中，调整金属液温度，浇注合金铸锭，铸锭炉冷出炉，铸锭扒皮，分析其成分，机械加工破碎，得到ti-nb-sn三元中间合金，控制其成分nb和sn的质量比为1:2，ti余量；
18、(3)精准称重海绵钛、al-mo-si三元中间合金、ti-nb-sn三元中间合金和海绵锆，放入混料机混料，将均匀混和后的料放入液压挤压机模具中，用二千吨液压挤压机挤压成自耗电极块，把挤压好的多个自耗电极块放入真空焊箱内组焊成自耗电极；
19、(4)将自耗电极放入真空自耗电弧炉中进行三次真空自耗熔炼，冷却，得到钛合金铸锭，对钛合金铸锭进行探伤，去冒口，对钛合金铸锭表面经过机械加工扒皮处理，得到钛合金成品铸锭，对钛合金成品铸锭上中下三点取样，分析其成分，得到所述医用耐高温高强度超声骨刀钛合金。
20、本专利技术的有益效果：本专利技术是耐高温高强钛合金，需要加入6种合金元素，属于高合金含量的钛合金，其中钼和铌是高熔点的难熔金属，特别是铌，如果以单质纯铌的形式加入，在钛合金熔铸过程中极易形成金属夹杂和成分偏析。锡和铝为低熔点金属，以单质纯金属加入，挥发烧损严重，无法保证钛合金铸锭的成分稳定性。因此合金元素必须以中间合金的形式加入，而中间合金的组成和生产方法是每一个钛合金生产企业必须面对的课题。国内外目前传统的钛合金使用的中间合金生产方法是铝热法，由于此制造方法是在大气中熔炼，氧、氮等杂质成分很难控制，中间合金的稳定性和一致性也比较差，无法满足高合金含量的钛合金的使用要求。在很多情况下，对于高合金含量的钛合金来说，中间合金成分选择、工艺方法和质量控制是钛合金熔炼铸锭质量的决定因素。
21、本专利技术采用al-mo-si三元中间合金和ti-nb-sn三元中间合金分别加入合金元素al、mo、si、nb、sn五种，由于zr与ti是无限固溶，熔点差别不大，所以用海绵锆以单质纯金属加入zr。
22、高质量钛合金铸锭制造是高性能加工材料的最基础工作，对钛合金材料性能的均匀性、一致性、稳定性气决定性作用。国内钛合金材料性能的一致性指标长期低于发达国家产品本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金，其特征在于，按质量百分比计，包括下述各成分：Al：6.0-7.0％，Sn：1.80-2.20％，Zr：2.80-3.20％，Mo：4.80-5.20％，Nb：0.80-1.20％，Si：0.40-0.60％，C：0.03-0.05％，Fe：＜0.015％，O：0.07-0.14％，Ti余量。
2.根据权利要求1所述一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金，其特征在于，Al当量＞8.0，当量值由下列表达式计算：
3.一种权利要求1-2任一项所述医用耐高温高强度超声骨刀钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，海绵锆包括Zr＞99.90％；
5.根据权利要求3所述一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，三次真空自耗熔炼的真空度为3.0×10-3-1.0×10-3mmHg；
6.根据权利要求3所述一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)
7.一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金棒材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金棒材的制备方法，其特征在于，步骤①中，加热温度为1190℃，保温时间为1.5小时，锻造温度为1050-1180℃，一火次变形率为30-45％，坯料横截面为边长为230mm的正方形；
9.一种权利要求7-8任一项所述方法制备的医用耐高温高强度超声骨刀钛合金棒材。
10.一种权利要求9所述医用耐高温高强度超声骨刀钛合金棒材在制备医用耐高温高强度超声骨刀中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金，其特征在于，按质量百分比计，包括下述各成分：al：6.0-7.0％，sn：1.80-2.20％，zr：2.80-3.20％，mo：4.80-5.20％，nb：0.80-1.20％，si：0.40-0.60％，c：0.03-0.05％，fe：＜0.015％，o：0.07-0.14％，ti余量。
2.根据权利要求1所述一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金，其特征在于，al当量＞8.0，当量值由下列表达式计算：
3.一种权利要求1-2任一项所述医用耐高温高强度超声骨刀钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，海绵锆包括zr＞99.90％；
5.根据权利要求3所述一种医用耐高温高强度超声骨刀钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，三次真空自耗熔炼的真空度为3.0×10-3-1...
【专利技术属性】
技术研发人员：尹权丰，徐长城，孙景平，张洋，唐明尧，王树龙，
申请(专利权)人：沈阳中核舰航特材科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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