激光淬火技術制備增強醫用β鈦合金超彈性能的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種用于外科植入領域的低彈性模量醫用β鈦合金的表面改性方法，具體是采用激光淬火表面處理技術對T1-35Nb-2Ta-3Zr(wt.% ) β鈦合金進行表面改性，通過激光淬火工藝，提高醫用β鈦合金的超彈性能。
【背景技術】
[0002]20世紀50年代初期，在英國和美國，純鈦首先被用來制造接骨板、髖關節、髓內釘和螺釘等生物醫用材料。但臨床發現，純鈦制造的髖關節和髓內釘的強度、剛度明顯不足。從二十世紀九十年代開始，新型鈦合金的研制開發就成為醫用材料的開發重點。然而，鈦合金的彈性模量如果太高，置于生物體內易產生“應力屏蔽”效應。鈦合金在生物醫學方面的應用不只是對其生物相容性、耐蝕性等有所要求，在保證生物安全性的基礎上，對其力學性能也有具體的要求。
[0003]目前制備的生物醫用鈦及鈦合金還存在著如硬度低、耐高溫性較差、導電性和可焊性不良、耐磨性不好等缺陷，由于其應用領域的特殊性，對其材料的性能要求也更高。通常我們需要采用表面處理或表面改性的方法改善和提高鈦及鈦合金的使用特性，現有技術中主要通過微弧氧化法、滲碳處理、溶膠凝膠、氣相沉積、等離子噴涂、離子注入、攪拌摩擦焊接等技術對鈦及鈦合金進行表面處理或改性，但效果不是很理想。因此，開發一種新的表面處理或改性方法以提高生物醫用鈦及鈦合金的超彈性能，使其滿足使用要求，將具有廣闊的應用前景。
【發明內容】
[0004]針對現有技術中的局限性，本發明的目的是提供一種激光淬火技術增強醫用β鈦合金超彈性能的方法。本技術應用于自制研發的醫用β鈦合金中，此β鈦合金具有低彈性模量、無毒性，用于植入外科醫用領域。針對現有技術及應用要求，將激光淬火技術對醫用β欽合金表面改性，提尚材料的超彈性能。
[0005]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0006]本發明提供了一種激光淬火技術制備增強醫用β鈦合金超彈性能的方法，包括以下步驟:
[0007](a)、材料表面處理:將乳制退火后的β鈦合金表面打磨去除氧化皮、矯直，同時保證表面光滑與平整度，再用丙酮清洗以保持試樣表面清潔；
[0008](b)、固定加工試樣:將試樣用夾具固定在半導體激光設備的工作臺上，經步驟(a)處理的表面朝上，并設置激光淬火的工藝參數，加工過程中保證激光淬火過程中材料不被氧化；
[0009](C)、材料表面處理:對步驟(b)中固定后的醫用β鈦合金進行激光淬火表面改性；加工過程中用氬氣保護，加工道次為I道次。鈦合金在表面改性過程中具有吸氣性的特點，加工過程中用氬氣保護，有效避免了鈦合金在熔化過程中與空氣接觸發生腐蝕。
[0010]優選地，所述的醫用β鈦合金的成分及質量百分比為:Nb:35%，Ta:2%，Zr:3%，T1:60%o Nb:35% ,Ta: 2% ,Zr:3%, T1:60% ο 在 β 鈦合金中，Nb、Ta、Zr 等元素的加入一方面具有較好的生物相容性，可以減小或避免長期植入體內會對身體造成的毒性作用，成為醫用β鈦合金材料開發的重點；另一方面，以T1-Nb，T1-Ta, T1-Zr為基體的β鈦合金相比較其他常用的鈦合金，可以獲得更低的彈性模量和更高的強度，可以減少或避免鈦合金具有較大的彈性模量，植入體內造成“應力屏蔽”現象。故此配比的β鈦合金材料具有較大的醫用潛力。
[0011]β鈦合金結構為T1-35Nb-2Ta-3Zr。由于Nb、Ta、和Zr元素的加入，此β型鈦合金具有低彈性模量和生物相容性(無毒)的優勢。
[0012]優選地，所述的β鈦合金T1-35Nb-2Ta_3Zr的制備方法包括:
[0013]步驟一、采用真空自耗熔煉技術設計Nb、Ta和Zr的含量，與海綿鈦混合后壓制成型，并將鑄錠至少淬火兩次；
[0014]步驟二、將淬火后的鑄錠經機加工后用氬弧焊與輔助電極焊合，重新在真空自耗電弧爐熔煉；
[0015]步驟三、將熔煉后的錠子在950 °C熱鍛，去除材料表面氧化皮，在920 °C?950 °C對材料進行乳制變形后退火處理。
[0016]優選地，為了保證激光淬火的淬透性，步驟(a)所述乳制退火后的β鈦合金厚度為 0.5 ?Imnin
[0017]優選地，步驟(a)所述乳制退火的退火時間為3?5min，以獲得原始態組織。
[0018]優選地，所述的步驟(b)中，采用的激光器類型為ROFIN DL 035Q半導體激光器，激光最大功率為3.5千瓦，其輸出激光的波長為808nm?940nm。
[0019]優選地，所述的步驟(b)中，激光淬火的工藝參數為功率450W?600W，掃描速度6?16mm/s。當激光功率小于450W且掃描速度小于6mm/s時，β鈦合金的改性層發生恪化再凝固，不能形成淬火組織。
[0020]優選地，所述的步驟(C)中，進行激光淬火時的激光束能量分布為慢軸方向成高帽分布，在快軸方向呈高斯分布。
[0021]優選地，所述的步驟(C)中，進行激光淬火時激光焦點處斑點為矩形，其尺寸為
2.0mmX 3.3mm ;激光器與β鈦合金表面的距離為5mm。
[0022]優選地，所述的步驟(c)中，氬氣的氣體流量設定為20?30L/min。
[0023]本發明所述激光重熔技術是激光表面改性方法的一種，激光表面改性技術能夠改善材料表面性能，在提高材料使用壽命方面具有突出的優越性。激光表面改性技術處理后的改性層稀釋率低，改性層厚度容易控制，改性層與基體呈牢固的冶金結合，且激光表面改性處理速度快、熱影響區小，不會引起基體材料性能和尺寸的變化。采用激光淬火技術主要是利用高能量密度的激光束，將材料表面加熱到相變點以上，使材料快速冷卻，奧氏體轉變為馬氏體，從而使材料的力學性能發生變化。
[0024]本發明通過激光淬火技術對自制β鈦合金T1-35Nb-2Ta_3Zr進行表面改性，針對鈦合金在表面改性過程中具有吸氣性的特點，防止鈦合金在熔化過程中與空氣接觸發生氧化，實驗表明保護氣體流量設定為20-30L/min較為適宜。激光表面淬火的硬化層深度一般為0.3?1.5mm，根據本專利中鈦合金的厚度范圍，為了保證材料的淬透性，淬火次數為I道次。通過激光淬火技術對β鈦合金的超彈性研究發現，由激光淬火誘發形成的馬氏體界面移動和重新取向造成了材料的超彈性特征。
[0025]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0026]1、本發明的方法是在醫用β鈦合金表面進行激光淬火，顯著提高了鈦合金的超彈性能。
[0027]2、本發明的方法簡單易操作，工藝周期短，不需要額外的淬火介質，工件變形小、改性層光滑潔凈，無需進行后續的精加工處理。具有很大的市場推廣和應用價值。
[0028]3、本發明自制的醫用β鈦合金，由于其特定的成分和重量比，與現有技術的β鈦合金相比，具有低彈性模量、高強度、耐腐蝕性和生物相容性的優勢。
【附圖說明】
[0029]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0030]圖1為醫用β鈦合金母材的超彈性能；
[0031]圖2為醫用β鈦合金經過激光淬火后的超彈性能；
[0032]圖3為醫用β鈦合金經過激光淬火后的宏觀金相圖；
[0033]圖4為醫用β鈦合金母材的金相組織圖；
[0034]圖5為醫用β鈦合金經過激光淬火后的金相組織圖；
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