一种生物医用β型钛合金棒材的热处理方法与流程

本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种生物医用β型钛合金棒材的热处理方法。

背景技术：

对于生物医疗用钛合金，全球近年来的发展趋势为：1、无毒性(不含al、v等元素)；2、低弹性模量(越接近人体骨骼的30gpa左右越好)。ti-mo系合金弹性模量最低约为50gpa，是理想的植入材料。ti-15mo(unsr58150)合金是一种β型钛合金，经过多年的研究开发，发现该合金弹性模量低、强度高、抗疲劳性能优越且生物相容性良好，在医疗领域应用的优势非常明显，1998年正式开始在医疗领域临床应用。

ti-15mo合金有三种交付状态，betaannealedcondition(β区退火态)、alphaplusbetaannealedcondition(两相区退火态)、alphaplusbetaannealedplusagedcondition(固溶时效态)。betaannealed条件下合金可获得完整的再结晶β相组织，合金弹性模量较低。alphaplusbetaannealed条件下合金的强度和塑性都会非常好。alphaplusbetaannealedplusaged条件下合金会获得高抗拉强度和疲劳强度，且性能水平优于ti6al4v(eli)。但ti-15mo合金对热处理制度和处理参数较为敏感，因此，开发一种有效的生物医用β型钛合金棒材的热处理方法十分必要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种生物医用β型钛合金棒材的热处理方法，用于对φ9.5mm～φ25mm规格的ti-15mo合金进行热处理，获得组织均匀、性能稳定的ti-15mo钛合金棒材。

本发明所采用的技术方案是：一种生物医用β型钛合金棒材的热处理方法，具体包括以下步骤：

步骤1，制备横、纵向组织均匀的φ9.5mm～φ25mm规格ti-15mo棒坯；

步骤2，热处理：

将步骤1制得的ti-15mo棒坯置于热处理炉中，在betaannealed条件下或者alphaplusbetaannealed条件下热处理；

步骤3，对热处理后的棒坯加热矫直，磨削加工至成品。

本发明的特点还在于，

步骤2中betaannealed条件下热处理，具体为：将棒坯在β转变温度以上加热、保温，出炉后水冷。

加热温度为β转变温度以上30℃～50℃，保温时间为40min～80min。

水冷所使用的冷却水水温不大于50℃，棒坯转移入水时间不大于10s，水平入水。

步骤3中加热矫直温度为β转变温度以上20℃～30℃。

步骤2中alphaplusbetaannealed条件下热处理，具体为：将棒坯在β转变温度以下加热、保温，出炉后空冷。

加热温度为β转变温度以下160℃～180℃，保温时间为300min～360min。

步骤3中加热矫直温度为β转变温度以下40℃～50℃。

本发明的有益效果是，一种生物医用β型钛合金棒材的热处理方法，针对ti-15mo钛合金的本身的性能特点，通过选择合适的热处理温度、保温时间、并严格控制操作过程，来实现棒材的组织和性能的优化。ti-15mo钛合金对热处理参数较为敏感，温度过低或者保温时间过短，棒材的再结晶程度不够，达不到使用要求；温度过高或者保温时间太长，晶粒长大，棒材室温拉伸塑性数据降低，综合力学性能不佳，故选择合适的热处理制度，既可以保证材料完成再结晶，满足使用要求，又可高效低耗完成棒材热处理，得到组织均匀，综合性能良好的ti-15mo棒材。

附图说明

图1是本发明热处理得到的状态1(betaannealedcondition(β区退火态))的ti-15mo钛合金棒材的横向组织高倍图；

图2是本发明热处理得到的状态1(betaannealedcondition(β区退火态))的ti-15mo钛合金棒材的室温力学性能；

图3是本发明热处理得到的状态2(alphaplusbetaannealedcondition(两相区退火态))的ti-15mo钛合金棒材的横向组织高倍图；

图4是本发明热处理得到的状态2(alphaplusbetaannealedcondition(两相区退火态))的ti-15mo钛合金棒材的室温力学性能。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种生物医用β型钛合金棒材的热处理方法，用于对φ9.5mm～φ25mm规格的ti-15mo合金进行热处理，具体包括以下步骤：

步骤1，制备横、纵向组织均匀的φ9.5mm～φ25mm规格ti-15mo棒坯。

步骤2，将ti-15mo棒坯置于热处理炉中进行热处理：

热处理炉为ⅲ类炉，有效加热区温度均匀性不低于±10℃，控温仪准确度不低于0.3级；ti-15mo棒坯的热处理过程为betaannealed条件下处理或者alphaplusbetaannealed条件下处理。

1)betaannealed条件下处理：采用ⅲ类热处理炉，在β转变温度以上30℃～50℃，保温时间为40min～80min，处理后水冷。热处理炉有效区控温仪表均达设定温度后，棒坯装炉，炉温再次到达设定温度后保温开始，炉门开启即保温结束；快速出炉，棒坯转移入水时间不大于10s，水平入水，冷却水水温不大于50℃。热处理后棒材在β转变温度以上20℃～30℃热矫直，磨削加工至成品棒材。

在该条件下热处理制备得到的ti-15mo钛合金棒材，组织均匀，弹性模量低，综合性能良好，适合关节系统等对强度和塑性均有要求的产品。

2)alphaplusbetaannealed条件下处理：采用ⅲ类热处理炉，在β转变温度以下160℃～180℃，保温300min～360min，保温结束后空冷至室温。热处理炉有效区控温仪表均达设定温度后，棒坯装炉，炉温再次到达设定温度后保温开始，炉门开启即保温结束；棒坯出炉转移至冷床，水平放置，空冷至室温。热处理后棒材在β转变温度以下40℃～50℃热矫直，磨削加工至成品棒材。

在该条件下热处理制备得到ti-15mo钛合金棒材，组织均匀，强度较高，适合齿科等承力部件的产品要求。

ti-15mo钛合金对热处理参数较为敏感，温度过低或者保温时间过短，棒材的再结晶程度不够，达不到使用要求；温度过高或者保温时间太长，晶粒长大，棒材室温拉伸塑性数据降低，综合力学性能不佳，故选择合适的热处理制度，既可以保证材料完成再结晶，满足使用要求，又可高效低耗完成棒材热处理，得到组织均匀，综合性能良好的ti-15mo棒材。

图1是采用本发明方法制备得到的状态1(betaannealedcondition(β区退火态))ti-15mo钛合金棒材的横向组织高倍图，从图中可以看出，棒材高倍组织为完整的再结晶β相组织，均匀细小，图2是此状态下的棒材的室温力学性能，合金棒材有较低的弹性模量和良好的综合力学性能。图3是采用本发明方法制备得到的状态2(alphaplusbetaannealedcondition(两相区退火态))ti-15mo钛合金棒材的横向组织高倍图，从图中可以看出棒材的横向组织细小均匀，α+β相弥散分布，图4是此状态下的棒材的室温力学性能，合金棒材强度较高，塑性良好，延伸率达20％，优于ti6al4v(eli)等常规植入用钛合金10％的指标，耐磨，在生物医用领域有良好应用前景。

实施例1

步骤1，制备横、纵向组织均匀的φ25mm规格ti-15mo棒坯，棒材β转变温度为750℃。

步骤2，步骤1得到的棒材，在betaannealed条件下处理，得到状态1的棒材。设定热处理制度为：780℃下保温80min，出炉水冷。操作时，热处理炉控温仪表设定温度为780℃，超温保护仪表设定温度为790℃。热处理炉有效区控温仪表均达780℃后，棒坯装炉；控温仪表再次达780℃，保温开始；保温80min后，开炉门，保温结束；棒坯出炉，在10s时水平入水槽，冷却水为流动水，水温控制在30℃左右，热处理后棒材在770℃下加热矫直，磨削加工至成品棒材。

或者将步骤1得到的棒材，在alphaplusbetaannealed条件下处理，得到状态2的棒材。设定热处理制度为：590℃下保温360min，出炉空冷至室温。热处理炉控温仪表设定温度为590℃，超温保护仪表设定温度为600℃；热处理炉有效区控温仪表均达590℃后，棒坯装炉；控温仪表再次达590℃，保温开始；保温360min后，开炉门，保温结束；棒坯出炉，转移至冷床，水平放置，空冷至室温；热处理后棒材在710℃下加热矫直，磨削加工至成品棒材。

实施例2

步骤1，制备组织均匀的φ9.5mm规格ti-15mo棒坯，棒材β转变温度为755℃。

步骤2，将步骤1得到的棒材，在betaannealed条件下处理，得到状态1的棒材。设定热处理制度为：795℃下保温40min，出炉水冷。热处理炉控温仪表设定温度为795℃，超温保护仪表设定温度为805℃；热处理炉有效区控温仪表均达795℃后，棒坯装炉；控温仪表再次达795℃，保温开始；保温40min后，开炉门，保温结束；棒坯出炉，在6s时水平入水槽，冷却水为流动水，水温为40℃；热处理后棒材在780℃下加热矫直，磨削加工至成品棒材。

或者将步骤1得到的棒材，在alphaplusbetaannealed条件下处理，得到状态2的棒材。设定热处理制度为：590℃下保温300min，出炉空冷至室温。热处理炉控温仪表设定温度为590℃，超温保护仪表设定温度为600℃；热处理炉有效区控温仪表均达590℃后，棒坯装炉；控温仪表再次达590℃，保温开始；保温300min后，开炉门，保温结束；棒坯出炉，转移至冷床，水平放置，空冷至室温；热处理后棒材在710℃下加热矫直，磨削加工至成品棒材。

实施例3

步骤1，制备组织均匀的φ18mm规格ti-15mo棒坯，棒材β转变温度为750℃。

步骤2，步骤1得到的棒材，在betaannealed条件下处理，得到状态1的棒材。设定热处理制度为：800℃下保温60min，出炉水冷。热处理炉控温仪表设定温度为800℃，超温保护仪表设定温度为810℃；热处理炉有效区控温仪表均达800℃后，棒坯装炉；控温仪表再次达800℃，保温开始；保温60min后，开炉门，保温结束；棒坯出炉，在8s时水平入水槽，冷却水为流动水，水温为50℃；热处理后棒材在780℃下加热矫直，磨削加工至成品棒材。

或者将步骤1得到的棒材，在alphaplusbetaannealed条件下处理，得到状态2的棒材。设定热处理制度为：570℃下保温330min，出炉空冷至室温。热处理炉控温仪表设定温度为570℃，超温保护仪表设定温度为580℃；热处理炉有效区控温仪表均达570℃后，棒坯装炉；控温仪表再次达570℃，保温开始；保温330min后，开炉门，保温结束；棒坯出炉，转移至冷床，水平放置，空冷至室温；热处理后棒材在700℃下加热矫直，磨削加工至成品棒材。