【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及钛合金金属加工，尤其涉及一种高强度超低弹性模量钛合金棒材及其制备方法和应用。
技术介绍
1、上世纪80年代，德国和瑞士的生物材料学家先后研制出“ti-5a1-2.5fe”和“ti-6a1-7nb(tc20)”合金。这两种钛合金中，tc20钛合金可用于制造非扩髓带锁髓内钉系统(包括胫骨、肱骨、股骨)，及用于治疗股骨颈骨骨折的中空螺钉等。但是经过长时间的临床医学验证得出，tc20钛合金不能满足特殊部位植入物的强度要求，并且尽管tc20合金的弹性模量较tc4合金下降了约5.5％，但还是远远高于人体骨组织的弹性模量，在临床医学中植入tc20合金材料后大概率会因为弹性模量与人体骨组织不匹配，从而引起“应力屏蔽现象”，最终导致关节假体断裂。传统的熔体由于在坩埚内可进行较多的工艺步骤，上世纪50年代，美国推出了冷坩埚悬浮熔炼(cclm)技术，小容量的冷坩埚悬浮熔炼，由单频率多匝电磁线圈实现，大容量的冷坩埚悬浮熔炼，依靠多频率电磁线圈组完成。
2、申请号为202211152541.7的专利技术专利公开了一种1050mpa级强度低弹性模量钛合金棒材及其制备方法，所述钛合金棒材包括以下重量百分比的合金元素：nb2.0％～3.0％，zr5.5％～6.5％，mo6.0％～7.0％，sn0.5％～1.5％，fe0.3％～0.7％，o0.12％～0.20％，余量为ti。该专利制备的钛合金棒材存在弹性模量高，与人体骨组织匹配性差，以及合金原料熔炼均匀性较差的缺陷。
3、因此，为了获得更高强度、更低弹性模量的钛合金棒材，并
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种高强度超低弹性模量钛合金棒材及其制备方法和应用。本专利技术采用真空电磁悬浮熔炼方式熔炼铸锭，与传统var熔炼铸锭相比，本专利技术铸锭的上、下部位均匀性提升显著，钛合金棒材的弹性模量下降了32％-46％，具有良好的生物相容性，且力学性能优于tc4钛合金棒材，可以满足髓内钉、髋关节等特殊部位的强度要求。
2、为了达到上述技术效果，本专利技术采取以下技术方案：
3、本专利技术的第一个目的在于提供一种高强度超低弹性模量钛合金棒材，包括以下重量百分比的合金元素：nb 3.0～5.0％，zr 8.0～10.0％，mo 5.0～6.5％，sn1.0～3.0％，fe0.3～0.5％，o 0.13～0.20％，余量为ti。
4、进一步地，铌以铌锆合金形式加入；锆以海绵锆和铌锆合金形式加入；钼以钛钼合金形式加入；锡以钛锡合金形式加入；铁以钛铁形式加入；氧以二氧化钛形式加入；钛以海绵钛形式加入。
5、本专利技术的第二个目的在于提供高强度超低弹性模量钛合金棒材的制备方法，包括以下步骤：
6、(1)在海绵钛中按比例加入合金元素进行成分配比；
7、(2)将步骤(1)中的原料用液压机压制成电极块；
8、(3)将步骤(2)中所述的电极块进行真空电磁悬浮熔炼，得到铸锭；
9、(4)将熔炼好的铸锭车光后进行锻造；
10、(5)将锻造后得到的棒坯车光后进行轧制；
11、(6)将轧制后的棒坯进行退火处理，得到高强度超低弹性模量钛合金棒材。
12、进一步地，步骤(3)中所述真空电磁悬浮熔炼的电源功率为300～450kw，电源频率为10-15khz，熔炼温度为2000～3200℃，熔炼气氛为氩气保护，熔炼真空度范围为2.0×10-3～6.7*10-4pa，坩埚冷却水压力为1.5～3bar，坩埚为水冷铜坩埚，坩埚容量为5～50kg，离心转速为300～500r.mm-1，熔炼1～2次得到铸锭。
13、进一步地，步骤(4)中所述锻造具体为：将车光后的铸锭先加热至940-980℃保温70-90min后，经2次镦粗、2次拔长，由φ80坯料×lmm锻造→φ55坯料×lmm，其总变形量为40～60％。通过调整锻造变形率，保证合金组织均匀，提高合金强度。
14、进一步地，步骤(5)中所述轧制具体为：将车光后的棒坯加热至850-920℃保温50-70min后，经10-15道次轧制，由φ55坯料轧制→φ18.5×lmm，总变形量为80～90％。通过调整轧制变形率，保证合金强度。
15、进一步地，步骤(6)中所述退火温度600-750℃，保温时间60-80min，空冷至室温。
16、本专利技术的第三个目的在于提供高强度超低弹性模量钛合金棒材在制备骨板、螺钉、髓内钉、髋关节中的应用。
17、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术采用真空电磁悬浮熔炼方式熔炼铸锭，与传统var熔炼铸锭相比，本专利技术采取的熔炼方式可以解决多合金元素熔炼不均匀的问题，使得铸锭的上、下部位均匀性得到显著提升，并进一步优化了多合金元素铸锭的纯净度；同时钛合金的弹性模量与材料的化学成分成一定的比例关系，铸锭中各类元素的均匀程度约好，经过锻造、轧制后的材料的力学性能越稳定；与tc4钛合金棒材相比，本专利技术提供的钛合金棒材的弹性模量下降了32％-46％，具有良好的生物相容性，可以用于医用植入物能有效降低“应力屏蔽”现象发生；力学性能优于tc4钛合金棒材，可以满足髓内钉、髋关节等特殊部位的强度要求。
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1.一种高强度超低弹性模量钛合金棒材，其特征在于，包括以下重量百分比的合金元素：Nb 3.0～5.0％，Zr 8.0～10.0％，Mo 5.0～6.5％，Sn 1.0～3.0％，Fe0.3～0.5％，O0.13～0.20％，余量为Ti。
2.根据权利要求1所述的高强度超低弹性模量钛合金棒材，其特征在于，铌以铌锆合金形式加入；锆以海绵锆和铌锆合金形式加入；钼以钛钼合金形式加入；锡以钛锡合金形式加入；铁以钛铁形式加入；氧以二氧化钛形式加入；钛以海绵钛形式加入。
3.根据权利要求1或2任一项所述的高强度超低弹性模量钛合金棒材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的高强度超低弹性模量钛合金棒材的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述真空电磁悬浮熔炼的电源功率为300～450KW，电源频率为10-15KHz，熔炼温度为2000～3200℃，熔炼气氛为氩气保护，熔炼真空度范围为2.0×10-3～6.7*10-4Pa，坩埚冷却水压力为1.5～3Bar，坩埚为水冷铜坩埚，坩埚容量为5～50kg，离心转速为300～500r.mm-1，熔炼
5.根据权利要求3所述的高强度超低弹性模量钛合金棒材的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述锻造具体为：将车光后的铸锭先加热至940-980℃保温70-90min后，经2次镦粗、2次拔长，由Φ80坯料×Lmm锻造→Φ55坯料×Lmm，其总变形量为40～60％。
6.根据权利要求3所述的高强度超低弹性模量钛合金棒材的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述轧制具体为：将车光后的棒坯加热至850-920℃保温50-70min后，经10-15道次轧制，由Φ55坯料轧制→Φ18.5×Lmm，总变形量为80～90％。
7.根据权利要求3所述的高强度超低弹性模量钛合金棒材的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述退火温度600-750℃，保温时间60-80min，空冷至室温。
8.根据权利要求1或2任一项所述的高强度超低弹性模量钛合金棒材在制备骨板、螺钉、髓内钉、髋关节中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种高强度超低弹性模量钛合金棒材，其特征在于，包括以下重量百分比的合金元素：nb 3.0～5.0％，zr 8.0～10.0％，mo 5.0～6.5％，sn 1.0～3.0％，fe0.3～0.5％，o0.13～0.20％，余量为ti。
2.根据权利要求1所述的高强度超低弹性模量钛合金棒材，其特征在于，铌以铌锆合金形式加入；锆以海绵锆和铌锆合金形式加入；钼以钛钼合金形式加入；锡以钛锡合金形式加入；铁以钛铁形式加入；氧以二氧化钛形式加入；钛以海绵钛形式加入。
3.根据权利要求1或2任一项所述的高强度超低弹性模量钛合金棒材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的高强度超低弹性模量钛合金棒材的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述真空电磁悬浮熔炼的电源功率为300～450kw，电源频率为10-15khz，熔炼温度为2000～3200℃，熔炼气氛为氩气保护，熔炼真空度范围为2.0×10-3～6.7*10-4pa，坩埚冷却水压力为1.5～3bar，坩埚为水...
【专利技术属性】
技术研发人员：辛昱江，郑永利，马宏刚，
申请(专利权)人：宝鸡鑫诺特材股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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