本发明属于医用生物钛合金制备技术领域，涉及一种低弹性模量医用钛合金铸锭制备方法。
背景技术：
tinbtazr合金是一种β型钛合金，具有良好的生物相容性，无毒无磁，具有与人体骨骼相近的弹性模量，是最适合用于人体植入的生物材料之一，其用途包括人工关节、人体骨、假牙牙套等。
由于ti、nb、ta、zr各元素的熔点、密度相差太大，给合金的制备带来一定困难，传统工艺方法制备出的tinbtazr合金中钽、铌元素偏析严重，合金成分准确性和均匀性难以得到保证。为提高合金化效果，获得化学成分均匀的合金，需要一种更好的制备方法来提高tinbtazr合金合金铸锭的冶金质量。
技术实现要素：
针对现有tinbtazr合金制备技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种低弹性模量医用钛合金铸锭制备方法，便于经济的制备化学成分均匀、无冶金缺陷的tinbtazr合金铸锭。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种低弹性模量医用钛合金铸锭制备方法，包括以下步骤：
步骤一：根据tinbtazr合金中的各元素质量百分比，计算ta板、ti板、zr板以及nb板的重量，并将每个ta板、ti板、zr板以及nb板剪裁成相同长度、宽度的板条；
步骤二：将ta板条摆放在最中间，在ta板条两侧依次交叉摆放nb板条、zr板条与ti板条；
步骤三：将步骤二中排列好的板料夹紧，组焊成自耗电极；
步骤四：一次熔炼：将步骤四制备的自耗电极采用真空自耗电弧熔炼方法进行熔炼，冷却后获得一次锭；
步骤五：二次熔炼：将步骤五获得的一次锭倒置作为自耗电极，采用真空自耗电弧熔炼方法进行二次熔炼，冷却后获得二次锭；
步骤六：三次熔炼：将步骤六获得的二次锭倒置作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，冷却后获得低弹性模量医用钛合金铸锭。
本发明进一步的改进在于，步骤一中，tinbtazr合金按质量百分比计，包括nb为25～40％，ta为2～15％，zr为2～10％，余量为ti。
本发明进一步的改进在于，步骤一中，ta板的厚度≤1mm，ti板、zr板以及nb板的厚度均为1～6mm。
本发明进一步的改进在于，步骤三中，在真空等离子焊箱中组焊成自耗电极；
本发明进一步的改进在于，步骤四中，熔炼的条件为：稳弧电流为ac5～6a/30s，熔炼电流为3.2～3.4ka，熔炼电压为30～32v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min。
本发明进一步的改进在于，步骤五中，二次熔炼的条件为：稳弧电流为ac6～7a/30s，熔炼电流为3.4～3.6ka，熔炼电压为32～34v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min。
本发明进一步的改进在于，步骤六中，三次熔炼的条件为：稳弧电流为ac6～7a/30s，熔炼电流为3.2～3.4ka，熔炼电压为32～34v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1)与传统工艺采用海绵钛、海绵锆、铌屑、钽粉混料制备电极块相比，本发明不需要制备电极块，直接采用板料拼焊制备自耗电极，所用原材料均为密实料，且同一横截面上原材料分布均匀，可避免传统工艺因混料不均匀造成的高熔点元素偏析。
2)利用电弧在两极间距离最短的两点之间维持的特点，熔炼过程中同一横截面上低熔点的原材料熔完后，电弧会转移到未熔化的高熔点原材料上，直至高熔点原材料与低熔点原材料处于同一平面时，电弧会转移至低熔点原材料上继续进行熔化，降低因原材料熔化速度不同对化学成分均匀性的影响。
3)一次熔炼过程中因合金化不充分，熔融的高密度金属液有下沉的趋势，造成铸锭化学成分不均匀，在二次、三次熔炼时，将铸锭掉头作为自耗电极再次进行熔炼，以减轻因密度差引起的化学成分不均匀。
进一步的，将熔点最高的ta制成厚度≤1mm的薄板，且置于自耗电极最中心，熔点稍低的ti、zr、nb制成厚度为1～6mm厚板，且排列于自耗电极外侧，可利用弧柱温度从中心向外逐渐降低的特性，减轻熔炼过程中各金属元素熔点差异产生的化学成分不均匀。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行详细描述。
本发明中的一种tinbtazr合金，由nb、ta、ti、zr四种元素组成，按质量百分比计，包括其化学成分范围为nb(25～40wt％)、ta(2～15wt％)、zr(2～10wt％)，余量为ti。
一种低弹性模量医用钛合金铸锭制备方法，步骤如下：
步骤一：准备原材料，首先根据ti板、zr板、nb板、ta板的熔点高低制备出不同厚度板材或箔材，要求ta板(箔)的厚度≤1mm；ti板、zr板、nb板(箔)的厚度为1～6mm。
步骤二：根据tinbtazr合金中的各元素配比重量计算所需板材的重量，并将板材剪裁成相同长度、宽度的板条。
步骤三：将步骤二制备的板条交叉排列摆放，要求ta板摆放在最中间，在ta板两侧依次交叉摆放nb板，zr板、ti板。
步骤四：将步骤三排列好的板料用夹具夹紧，在真空等离子焊箱中组焊成自耗电极。
步骤五：一次熔炼：将步骤四制备的自耗电极在采用真空自耗电弧熔炼方法进行熔炼，稳弧电流ac5～6a/30s，熔炼电流3.2～3.4ka，熔炼电压30～32v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得一次锭；
步骤六：二次熔炼：将步骤五获得的一次锭倒置作为自耗电极，采用真空自耗电弧熔炼方法进行二次熔炼，稳弧电流ac6～7a/30s，熔炼电流3.4～3.6ka，熔炼电压32～34v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得二次锭；
步骤七：三次熔炼：将步骤六获得的二次锭倒置作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼稳弧电流ac6～7a/30s，熔炼电流3.2～3.4ka，熔炼电压32～34v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得成品锭；
步骤八：将成品锭表面扒皮并精车，采用超声波探伤方法探伤确认缩孔位置。
步骤九：将冒口切除后获得无冶金缺陷的tinbtazr合金光锭。
下面为具体实施例。
实施例1
以制备ti35nb2ta3zr合金为例，投料60kg，采用最大投料量100kg的真空自耗电弧炉进行熔炼，其制备步骤如下：
步骤一：经计算，制备ti35nb2ta3zr合金共需制备4支自耗电极，所需板材如下：ti板规格4×60×750mm，共44支，重量35.6kg；nb板规格1.3×60×750mm，共44支，重量21.6kg；ta箔规格0.4×60×750mm，共4支，重量1.2kg；zr板规格1.6×60×750mm，共4支，重量1.88kg。
步骤二：按照步骤一的计算结果制备所需板材。
步骤三：步骤二制备好的板材均分为4份，每份包括11支ti板，11支nb板，1支ta箔，1支zr板。将分好的板料按照以下方式排列摆放：ta箔放中间，在ta箔两侧依次交叉摆放nb板、zr板和ti板，ta板和zr板摆放完后，将剩余的nb板和ti板交叉排列在已摆放好的ta箔、nb板、zr板、ti板两侧，共组成4支电极。
步骤四：将步骤三排列好的电极用夹具夹紧，在真空等离子焊箱中组焊成自耗电极，共4支。
步骤五：将步骤四制备的自耗电极采用真空自耗电弧熔炼方法进行一次熔炼，稳弧电流ac5a/30s，熔炼电流3.2ka，熔炼电压30v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得4支
步骤六：将步骤五获得的一次锭每两支头尾相接拼焊成1支自耗电极，共2支，将获得的2支自耗电极倒置，采用真空自耗电弧熔炼方法进行二次熔炼，稳弧电流ac6a/30s，熔炼电流3.4ka，熔炼电压30～36v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得两支
步骤七：将步骤六获得的两支二次锭头尾相接拼焊成1支自耗电极，将获得的自耗电极倒置采用真空自耗电弧熔炼方法进行熔炼，稳弧电流ac6a/30s，熔炼电流3.2ka，熔炼电压32v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得1支
步骤八：将铸锭表面扒皮至无缺陷，精车后探伤确认冒口位置。
步骤九：将冒口切除后获得无冶金缺陷光锭。
在获得的光锭头部、中部、尾部取样进行各元素检测，检测结果见表1：
表1ti35nb3ta2zr合金各元素含量(wt％)
实施例2
以制备ti36nb5ta7zr合金为例，投料60kg，采用最大投料量100kg的真空自耗电弧炉进行熔炼，其制备步骤如下：
步骤一：经计算，制备ti36nb5ta7zr合金共需制备两支自耗电极，所需板材如下：ti板规格3.5×60×750mm，共44支，重量31.2kg；nb板规格1.3×60×750mm，共44支，重量21.6kg；ta箔规格0.5×60×750mm，共8支，重量3kg；zr板规格1.8×60×750mm，共8支，重量4.2kg。
步骤二：按照步骤一的计算结果制备所需板材。
步骤三：步骤二制备好的板材均分为4份，每份包括11支ti板，11支nb板，2支ta箔，2支zr板。将分好的板料按照以下方式排列摆放：ta箔放中间，在ta箔两侧依次交叉摆放zr板、nb板和ti板，ta箔和zr板摆放完后，将剩余的nb板和ti板交叉排列在已摆放好的ta箔、zr板、nb板和ti板两侧，共组成4支电极。
步骤四：将步骤三排列好的电极用夹具夹紧，在真空等离子焊箱中组焊成自耗电极，共4支。
步骤五：将步骤四制备的自耗电极采用真空自耗电弧熔炼方法进行一次熔炼，稳弧电流ac6a/30s，熔炼电流3.1ka，熔炼电压31v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得4支
步骤六：将步骤五获得的一次锭每两支头尾相接拼焊成1支自耗电极，共2支，将获得的2支自耗电极倒置，采用真空自耗电弧熔炼方法进行二次熔炼，稳弧电流ac7a/30s，熔炼电流3.5ka，熔炼电压33v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得2支
步骤七：将步骤六获得的2支二次锭头尾相接拼焊成1支自耗电极，倒置采用真空自耗电弧熔炼方法进行熔炼，稳弧电流ac7a/30s，熔炼电流3.3ka，熔炼电压33v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得1支
步骤八：将铸锭表面扒皮至无缺陷，精车后探伤确认冒口位置。
步骤九：将冒口切除后获得无冶金缺陷光锭。
在获得的光锭头部、中部、尾部取样进行各元素检测，检测结果见表2：
表2ti36nb5ta7zr合金各元素含量(wt％)
实施例3
以制备ti28nb13ta4.6zr合金为例，投料60kg，采用最大投料量100kg的真空自耗电弧炉进行熔炼，其制备步骤如下：
步骤一：经计算，制备ti28nb13ta4.6zr合金共需制备4支自耗电极，所需板材如下：ti板规格4.1×60×750mm，共40支，重量33.2kg；nb板规格1.1×60×750mm，共40支，重量18.4kg；ta箔规格0.65×60×750mm，共16支，重量7.9kg；zr板规格1.2×60×750mm，重量2.8kg共8支。
步骤二：按照步骤一的计算结果制备所需板材。
步骤三：步骤二制备好的板材均分为4份，每份包括10支ti板，10支nb板，4支ta箔，2支zr板。将分好的板料按照以下方式排列摆放：ta箔放中间，在ta箔两侧依次交叉摆放zr板、nb板和ti板，ta箔和zr板摆放完后，将剩余的nb板和ti板交叉排列在已摆放好的ta箔、zr板、nb板和ti板两侧，共组成4支电极。
步骤四：将步骤三排列好的电极用夹具夹紧，在真空等离子焊箱中组焊成自耗电极，共4支。
步骤五：将步骤四制备的自耗电极采用真空自耗电弧熔炼方法进行一次熔炼，稳弧电流ac6a/30s，熔炼电流3.4ka，熔炼电压32v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得4支
步骤六：将步骤五获得的一次锭每两支头尾相接拼焊成1支自耗电极，共2支，将获得的2支自耗电极倒置，采用真空自耗电弧熔炼方法进行二次熔炼，稳弧电流ac7a/30s，熔炼电流3.6ka，熔炼电压34v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得2支
步骤七：将步骤六获得的2支二次锭头尾相接拼焊成1支自耗电极，倒置采用真空自耗电弧熔炼方法进行熔炼，稳弧电流ac7a/30s，熔炼电流3.4ka，熔炼电压34v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得1支
步骤八：将铸锭表面扒皮至无缺陷，精车后探伤确认冒口位置。
步骤九：将冒口切除后获得无冶金缺陷光锭。
在获得的光锭头部、中部、尾部取样进行各元素检测，检测结果见表3：
表3ti28nb13ta4.6zr合金各元素含量(wt％)
实施例4
以制备ti34nb8ta9zr合金为例，投料60kg，采用最大投料量100kg的真空自耗电弧炉进行熔炼，其制备步骤如下：
步骤一：经计算，制备ti34nb8ta9zr合金共需制备两支自耗电极，所需板材如下：ti板规格3.6×60×750mm，共40支，重量29.3kg；nb板规格1.35×60×750mm，共40支，重量20.8kg；ta箔规格0.8×60×750mm，共8支，重量4.8kg；zr板规格2.4×60×750mm，共8支，重量5.5kg。
步骤二：按照步骤一的计算结果制备所需板材。
步骤三：步骤二制备好的板材均分为4份，每份包括10支ti板，10支nb板，2支ta箔，2支zr板。将分好的板料按照以下方式排列摆放：ta箔放中间，在ta箔两侧依次交叉摆放zr板、nb板和ti板，ta箔和zr板摆放完后，将剩余的nb板和ti板交叉排列在已摆放好的ta箔、zr板、nb板和ti板两侧，共组成4支电极。
步骤四：将步骤三排列好的电极用夹具夹紧，在真空等离子焊箱中组焊成自耗电极，共4支。
步骤五：将步骤四制备的自耗电极采用真空自耗电弧熔炼方法进行一次熔炼，稳弧电流ac6a/30s，熔炼电流3.2ka，熔炼电压32v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得4支
步骤六：将步骤五获得的一次锭每两支头尾相接拼焊成1支自耗电极，共2支，将获得的2支自耗电极倒置，采用真空自耗电弧熔炼方法进行二次熔炼，稳弧电流ac7a/30s，熔炼电流3.6ka，熔炼电压34v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得2支
步骤七：将步骤六获得的2支二次锭头尾相接拼焊成1支自耗电极，倒置采用真空自耗电弧熔炼方法进行熔炼，稳弧电流ac7a/30s，熔炼电流3.4ka，熔炼电压34v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得1支
步骤八：将铸锭表面扒皮至无缺陷，精车后探伤确认冒口位置。
步骤九：将冒口切除后获得无冶金缺陷光锭。
在获得的光锭头部、中部、尾部取样进行各元素检测，检测结果见表4：
表4ti34nb8ta9zr合金各元素含量(wt％)
从表1-表4可以看出，本发明制备的钛合金铸锭的化学成分比较均匀。
实施例5
本发明中的一种tinbtazr合金，由nb、ta、ti、zr四种元素组成，按质量百分比计，包括其化学成分范围为nb(25wt％)、ta(10wt％)、zr(5wt％)，余量为ti。
一种低弹性模量医用钛合金铸锭制备方法，步骤如下：
步骤一：准备原材料，首先根据ti板、zr板、nb板、ta板的熔点高低制备出不同厚度板材，要求ta板的厚度≤1mm；ti板、zr板、nb板的厚度为1mm。
步骤二：根据tinbtazr合金中的各元素配比重量计算所需板材的重量，并将板材剪裁成相同长度、宽度的板条。
步骤三：将步骤二制备的板条交叉排列摆放，要求ta板摆放在最中间，在ta板两侧依次交叉摆放nb板，zr板、ti板。
步骤四：将步骤三排列好的板料用夹具夹紧，在真空等离子焊箱中组焊成自耗电极。
步骤五：一次熔炼：将步骤四制备的自耗电极在采用真空自耗电弧熔炼方法进行熔炼，稳弧电流ac5a/30s，熔炼电流3.2ka，熔炼电压32v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得一次锭；
步骤六：二次熔炼：将步骤五获得的一次锭倒置作为自耗电极，采用真空自耗电弧熔炼方法进行二次熔炼，稳弧电流ac6a/30s，熔炼电流3.6ka，熔炼电压32v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得二次锭；
步骤七：三次熔炼：将步骤六获得的二次锭倒置作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼稳弧电流ac6a/30s，熔炼电流3.4ka，熔炼电压32v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得成品锭；
步骤八：将成品锭表面扒皮并精车，采用超声波探伤方法探伤确认缩孔位置。
步骤九：将冒口切除后获得无冶金缺陷的tinbtazr合金光锭。
实施例6
本发明中的一种tinbtazr合金，由nb、ta、ti、zr四种元素组成，按质量百分比计，包括其化学成分范围为nb(40wt％)、ta(2wt％)、zr(2wt％)，余量为ti。
一种低弹性模量医用钛合金铸锭制备方法，步骤如下：
步骤一：准备原材料，首先根据ti板、zr板、nb板、ta板的熔点高低制备出不同厚度板材，要求ta板的厚度≤1mm；ti板、zr板、nb板的厚度为6mm，至少其中两种板材的数量相同，以便于交叉排列。
步骤二：根据tinbtazr合金中的各元素配比重量计算所需板材的重量。
步骤三：将步骤二制备的板条交叉排列摆放，要求ta板摆放在最中间，在ta板两侧依次交叉摆放nb板，zr板、ti板。
步骤四：将步骤三排列好的板料用夹具夹紧，在真空等离子焊箱中组焊成自耗电极。
步骤五：一次熔炼：将步骤四制备的自耗电极在采用真空自耗电弧熔炼方法进行熔炼，稳弧电流ac6a/30s，熔炼电流3.4ka，熔炼电压30v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得一次锭；
步骤六：二次熔炼：将步骤五获得的一次锭倒置作为自耗电极，采用真空自耗电弧熔炼方法进行二次熔炼，稳弧电流ac7a/30s，熔炼电流3.4ka，熔炼电压33v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得二次锭；
步骤七：三次熔炼：将步骤六获得的二次锭倒置作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼稳弧电流ac7a/30s，熔炼电流3.2ka，熔炼电压33v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得成品锭；
步骤八：将成品锭表面扒皮并精车，采用超声波探伤方法探伤确认缩孔位置。
步骤九：将冒口切除后获得无冶金缺陷的tinbtazr合金光锭。
实施例7
本发明中的一种tinbtazr合金，由nb、ta、ti、zr四种元素组成，按质量百分比计，包括其化学成分范围为nb(30wt％)ta(15wt％)、zr(10wt％)，余量为ti。
一种低弹性模量医用钛合金铸锭制备方法，步骤如下：
步骤一：准备原材料，首先根据ti板、zr板、nb板、ta板的熔点高低制备出不同厚度板材，要求ta板的厚度≤1mm；ti板、zr板、nb板的厚度为3mm。
步骤二：根据tinbtazr合金中的各元素配比重量计算所需板材的重量，并将板材剪裁成相同长度、宽度的板条。
步骤三：将步骤二制备的板条交叉排列摆放，要求ta板摆放在最中间，在ta板两侧依次交叉摆放nb板，zr板、ti板。
步骤四：将步骤三排列好的板料用夹具夹紧，在真空等离子焊箱中组焊成自耗电极。
步骤五：一次熔炼：将步骤四制备的自耗电极在采用真空自耗电弧熔炼方法进行熔炼，稳弧电流ac5a/30s，熔炼电流3.3ka，熔炼电压31v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得一次锭；
步骤六：二次熔炼：将步骤五获得的一次锭倒置作为自耗电极，采用真空自耗电弧熔炼方法进行二次熔炼，稳弧电流ac7a/30s，熔炼电流3.5ka，熔炼电压34v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得二次锭；
步骤七：三次熔炼：将步骤六获得的二次锭倒置作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行三次熔炼稳弧电流ac6a/30s，熔炼电流3.3ka，熔炼电压34v，熔前真空度≤0.1pa，漏气率≤0.3pa/min，冷却后获得成品锭；
步骤八：将成品锭表面扒皮并精车，采用超声波探伤方法探伤确认缩孔位置。
步骤九：将冒口切除后获得无冶金缺陷的tinbtazr合金光锭。