一种医用钛合金小规格棒材的热处理方法

摘要

本发明公开了一种医用钛合金小规格棒材的热处理方法，在氩气保护气氛下，当热处理炉的炉温为620℃-640℃时，将规格在Φ6.0mm至Φ13mm的TC20钛合金小规格棒材轧制态毛坯放入炉中心部位，装炉时间控制在1min内；以2℃/min的加热速度将温度升至650℃-790℃，然后开始保温，在保温过程中，保持炉温波动在±10℃范围内，保温时间为30min-60min，然后出炉，出炉时温度下降在20℃以内，出炉后采用风扇空气冷却到室温，风扇的风速控制在10m/s。本发明的方法解决了Φ6-Φ13小规格TC20钛合金棒材的组织均匀性和力学性能稳定性问题，适用于工业化生产。

说明书

技术领域

本发明属于有色金属加工技术领域，涉及一种医用钛合金小规格棒材的热处理方法。

背景技术

TC20钛合金的成分为Ti-6Al-7Nb，由瑞士Sulzer医学技术公司开发，并于1985年开始临床应用。作为第二代医用钛合金，与第一代Ti-6Al-4V合金相比采用细胞适应性好的Nb元素代替有毒的V元素，很大程度上提高了该合金在人体环境中的安全性。由于TC20钛合金不但具有良好的生物和力学相容性，而且具有与Ti-6Al-4V合金相似的力学性能。近年来，该合金被广泛地应用在医疗领域，成为外科植入物用器件的首选材料，如脊椎矫形器件、接骨螺钉、髓内钉等。

目前，由于对TC20钛合金小规格棒材仍存在技术和工艺上的不成熟，制得的棒材组织不均匀，从而引起成品力学性能的不稳定，影响了该合金小规格棒材在制备成医用器材的时候强度以及延伸率等力学性能。在批量化生产时，降低了生产效率，限制了该合金的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种医用钛合金小规格棒材的热处理方法，解决了小规格TC20钛合金棒材组织不均匀和力学性能不稳定的问题。

本发明所采用的技术方案是，医用钛合金小规格棒材的热处理方法，具体按照以下步骤进行：

在氩气保护气氛下，当热处理炉的炉温为620℃-640℃时，将规格在Φ6.0mm-Φ13mm的TC20钛合金小规格棒材轧制态毛坯放入炉中心部位，装炉时间控制在1min内；以2℃/min的加热速度将温度升至650℃-790℃，然后开始保温，在保温过程中，保持炉温波动在±10℃范围内，保温时间为30min-60min，然后出炉，出炉时温度下降保持在20℃以内，出炉后采用风扇空气冷却到室温，风扇的风速控制在10m/s。

采用本发明热处理方法处理的规格在Φ6.0mm至Φ13mm范围内的TC20钛合金棒材各项性能指标均满足使用标准要求，适用于生产组织性能均匀性良好、批次稳定性佳的TC20钛合金小规格棒材，并且具有优异的同炉批次组织和力学性能均匀性和不同炉批次的批次稳定性，适用于工业化批量稳定生产。

附图说明

图1是采用本发明实施例1处理后的TC20钛合金小规格棒材的高倍组织照片，其中，a是边缘处组织照片，b是二分之一半径处组织照片，c是中心处照片；

图2是采用本发明实施例2处理后的TC20钛合金小规格棒材的高倍组织照片，其中，a是边缘处组织照片，b是二分之一半径处组织照片，c是中心处照片；

图3是采用本发明实施例3处理后的TC20钛合金小规格棒材的高倍组织照片，其中，a是边缘处组织照片，b是二分之一半径处组织照片，c是中心处照片；

图4是采用本发明实施例4处理后的TC20钛合金小规格棒材的高倍组织照片，其中，a是边缘处组织照片，b是二分之一半径处组织照片，c是中心处照片。

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。

本发明的医用钛合金小规格棒材的热处理方法的过程为，加热、上料、保温、出炉、空冷到室温，其具体按以下步骤进行：

在氩气保护气氛下，当热处理炉的炉温为620℃-640℃时，将规格在Φ6.0mm-Φ13mm的TC20钛合金小规格棒材轧制态毛坯放入炉中心部位，装炉时间控制在1min内；以2℃/min的加热速度将温度升至650℃-790℃，然后开始保温，在保温过程中，保持炉温波动在±10℃范围内，保温时间为30min-60min，然后出炉，出炉时温度下降在20℃以内，出炉后采用风扇空气冷却到室温，风扇的风速控制在10m/s。

现有的制造TC20小规格棒材的热处理方法为在大气气氛中，将炉温升至800℃，然后保温30min，出炉后空冷。该工艺步骤中未限制热处理的气氛，由于TC20钛合金棒材在高温大气中易氧化，使成品率降低；并且对TC20钛合金小规格棒材的加热温度过高，会引起组织的长大。同时，装炉位置、装炉时间、升温速度和炉温的波动范围对TC20小规格棒材的温度均匀性会产生影响，如果温度不均匀会导致棒材各部分再结晶程度的不同，从而引起组织不均匀和力学性能不均匀；对于降温速度的控制原工艺中采用空冷，由于冷却速度慢会引起TC20钛合金棒材组织的长大和二次再结晶，使组织均匀性降低。TC20钛合金棒材保温时间过短，再结晶不充分，组织均匀性也会变差；TC20钛合金棒材保温时间过长，引起组织的异常长大，也会使组织均匀性变差和力学性能不稳定。

实施例1

在氩气气氛下，当炉温达到640℃时将规格为Φ12mm的TC20钛合金棒材放入炉中心部位，装炉时间1min，以2℃/min的加热速度将炉温升到730℃时开始保温，保持炉温波动在±8℃范围内，保温时间为30min，出炉时温度降为718℃，出炉后采用风扇空冷到室温，风速控制在10m/s。

实施例2

在氩气气氛下，当炉温达到630℃时将规格为Φ13mm的TC20钛合金棒材放入炉中心部位，装炉时间55s，以2℃/min的加热速度将炉温升到790℃时开始保温，保持炉温波动在±10℃范围内，保温时间为60min，出炉时温度降为775℃，出炉后采用风扇空冷到室温，风速控制在10m/s。

实施例3

在氩气气氛下，当炉温达到620℃时将规格为Φ8mm的TC20钛合金棒材放入炉中心部位，装炉时间57s，以2℃/min的加热速度将炉温升到700℃时开始保温，保持炉温波动在±9℃范围内，保温时间为40min，出炉时温度降为687℃，出炉后采用风扇空冷到室温，风速控制在10m/s。

实施例4

在氩气气氛下，当炉温达到620℃时将规格为Φ6mm的TC20钛合金棒材放入炉中心部位，装炉时间53s，以2℃/min的加热速度将炉温升到650℃时开始保温，保持炉温波动在±7℃范围内，保温时间为50min，出炉时温度降为632℃，出炉后采用风扇空冷到室温，风速控制在10m/s。

采用实施例1-实施例4热处理过后的TC20钛合金小规格棒材的高倍组织照片如图1所示，可以看出棒材的组织均匀性很好。

表1是采用上述实施例1-实施例4制得的小规格棒材的机械性能与传统方法制得的棒材机械性能对比表。其中采用现有传统工艺的步骤为在大气气氛中，将炉温升至800℃，然后保温30min，出炉后空冷。表1当中A/％为断面收缩率、Z为延伸率、R_m为抗拉强度、R_p0.2为屈服强度。

表1使用本发明方法与传统方法制得的小规格棒材机械性能对比表

通过表1得出的机械性能参数可知，使用本发明方法热处理工艺后的TC20钛合金小规格棒材的机械性能相比于传统工艺有所提高，并且性能的稳定性较好。