一種高鉭含量鈦鉭合金自耗電極的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鈦鉭合金制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高鉭含量鈦鉭合金自耗電極的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在生物醫(yī)用金屬材料領(lǐng)域，鈦及鈦合金因其具有良好的生物相容性、較高的耐蝕性、良好的力學(xué)性能和無毒性等諸多優(yōu)異性能，廣泛用于制備人工關(guān)節(jié)替代物、骨釘、接骨板、脊柱內(nèi)固定系統(tǒng)等。但是，傳統(tǒng)的醫(yī)用鈦合金主要存在以下問題:
[0003](I)細(xì)胞毒性，常見的外科植入物用鈦合金，如T1-6A1-4V (ELI)，T1-6Al-7Nb等合金中含有毒性元素Al、V等，研究表明:A1、V元素對人體機體有潛在的危害，植入物長期植入人體，毒性元素會在體內(nèi)釋放，影響受損及周邊組織的痊愈；
[0004](2)高彈性模量，人骨彈性模量值為10?40GPa。目前，GB/T13810-2007外科植入物用鈦及鈦及鈦合金加工材中的純鈦系列(α型)、TC4(ELI)和TC20 (Ti_6Al_7Nb)(α +β型)鈦合金的彈性模量值為100?120GPa，遠(yuǎn)高于人體骨組織，長期植入體內(nèi)會引起“應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象”。目前，對于低彈性模量的生物醫(yī)用鈦合金材料的設(shè)計與制備主要考慮兩個因素:一是合金元素的毒性；二是合金元素的添加有利于降低合金的彈性模量。Ta、Nb、Zr、Mo和Sn等具有良好的生物相容性和低的生物毒性，并且有利于β單相組織的形成。β相的獲得有利于降低合金的彈性模量，提高耐磨和耐蝕性能。在眾多β相穩(wěn)定元素中，Ta被認(rèn)為是生物相容性最好、抗腐蝕能力最強的。文獻“Effects of Ta content onYoung’ s modulus and tensile properties of binary T1-Ta alloys for b1medicalapplicat1ns”中采用tr1-arc furnace (三電弧恪煉法)恪煉10次制備得到T1-XTa (X=10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, wt.% )系β型二元鈦合金實驗用小規(guī)格鑄錠，鑄錠經(jīng)均勻化處理和乳制變形得到3mm厚板材，組織細(xì)小(晶粒度:50?60 μ m)，彈性模量值在70?10GPa之間，抗拉強度值在400 ?700MPa之間；文獻“Characterizat1n of T1-Ta AlloysSynthesized by Cold Crucible Levitat1n Me I ting”中米用 CCLM (冷樹禍磁懸浮恪煉)法制備得到T1-XTa (X= 10，20，30，40，50，60，80，wt.% )系列實驗用小規(guī)格鑄錠。上述兩種方法制備得到的T1-Ta合金鑄錠均勻性良好，氣體及雜質(zhì)元素含量低，無偏析，但是，鑄錠尺寸規(guī)格太小，熔煉次數(shù)過多，導(dǎo)致制備工序復(fù)雜和成本過高，無法實現(xiàn)工業(yè)批量化生產(chǎn)。此外，由于Ta的熔點(2996°C )比Ti高很多，且密度大，當(dāng)大量鉭粉加入到海綿鈦中后，會導(dǎo)致電極強度顯著下降，在進行真空自耗電弧熔煉前，如果配料、混料和布料方法不當(dāng)，會造成制得的自耗電極強度偏低，物料混合不均勻，熔煉過程中易造成電極掉塊、掉渣或電極斷裂的情況，出現(xiàn)難熔金屬夾雜和偏析，直接影響鑄錠的冶金質(zhì)量。另外，電子束冷床爐和等離子冷床爐雖然可以解決T1-Ta合金的高密度夾雜和偏析問題，但是在此之前還需要采用真空自耗電弧熔煉的方法進行預(yù)合金化，導(dǎo)致鑄錠熔煉成本大幅提高，鉭容易積聚在冷殼中，造成鑄錠其他部位的合金元素含量下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種高鉭含量鈦鉭合金自耗電極的制備方法，該方法工藝簡單，設(shè)計合理且容易實現(xiàn)，能夠保證制備得到的自耗電極均勻性良好、強度高，有效避免電極運輸、焊接、裝配以及熔煉過程中高熔點元素金屬粉末泄漏以及熔煉過程中掉塊、掉渣或電極斷裂等事故的發(fā)生。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種高鉭含量鈦鉭合金自耗電極的制備方法，其特征在于，該制備方法采用的壓制模具由外模和內(nèi)模組成，所述外模由底板和分別設(shè)置于底板兩側(cè)的左側(cè)板和右側(cè)板組成，所述內(nèi)模由上模和下模組成，所述下模設(shè)置在底板上，所述上模具有開口向下的上模成型槽，所述下模具有開口向上的下模成型槽，所述上模成型槽和下模成型槽扣合形成一正六邊形模腔；
[0007]該制備方法包括以下步驟:
[0008]步驟一、稱取細(xì)顆粒零級海綿鈦和鉭粉，將鉭粉與部分所述細(xì)顆粒零級海綿鈦按質(zhì)量比(I?3.5):1混合均勻，得到混合物，部分所述細(xì)顆粒零級海綿鈦為稱取的細(xì)顆粒零級海綿鈦總質(zhì)量的70%?80% ;所述細(xì)顆粒零級海綿鈦的粒徑為3_?6_ ；
[0009]步驟二、將步驟一中剩余所述細(xì)顆粒零級海綿鈦分成四等份，將第一等份細(xì)顆粒零級海綿鈦均勻鋪設(shè)在所述壓制模具的下模成型槽內(nèi)，然后在第一等份細(xì)顆粒零級海綿鈦上鋪設(shè)純鈦箔，在下模成型槽左側(cè)槽口邊沿位置處設(shè)置左金屬擋板，將第二等份細(xì)顆粒零級海綿鈦倒入左金屬擋板與左側(cè)板之間的間隙中，在下模成型槽右側(cè)槽口邊沿位置處設(shè)置右金屬擋板，將第三等份細(xì)顆粒零級海綿鈦倒入右金屬擋板與右側(cè)板之間的間隙中，再將步驟一中所述混合物倒入下模成型槽內(nèi)，將第四等份細(xì)顆粒零級海綿鈦均勻鋪設(shè)在混合物上，得到由剩余所述細(xì)顆粒零級海綿鈦、純鈦箔和混合物組成的坯料；
[0010]步驟三、抽出步驟二中所述坯料中的左金屬擋板和右金屬擋板，將壓制模具的上?？酆嫌谙履Ｉ希玫酱龎汗ぜ?，然后壓制所述待壓工件后拆除壓制模具，得到自耗電極塊；
[0011]步驟四、將多塊步驟三中所述自耗電極塊進行組焊，得到高鉭含量鈦鉭合金自耗電極，所述高鉭含量鈦鉭合金自耗電極中鉭的質(zhì)量百分含量不低于40%。
[0012]上述的一種高鉭含量鈦鉭合金自耗電極的制備方法，其特征在于，步驟一中所述鉭粉為冶金級鉭粉，鉭粉的牌號為FTa-1，粒度為-300目，氧含量不大于0.13wt%。
[0013]上述的一種高鉭含量鈦鉭合金自耗電極的制備方法，其特征在于，步驟一中采用圓筒混料機混合鉭粉與部分所述細(xì)顆粒零級海綿鈦，圓筒混料機的轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分?200轉(zhuǎn)/分，混合時間為30min?120min。
[0014]上述的一種高鉭含量鈦鉭合金自耗電極的制備方法，其特征在于，步驟二中所述純鈦箔的質(zhì)量純度不低于99.99%。
[0015]上述的一種高鉭含量鈦鉭合金自耗電極的制備方法，其特征在于，步驟二中所述左金屬擋板和右金屬擋板均為TAl純鈦擋板或TA2純鈦擋板，所述左金屬擋板和右金屬擋板的厚度為0.5mm?1.0mm0
[0016]上述的一種高鉭含量鈦鉭合金自耗電極的制備方法，其特征在于，步驟二中所述間隙的寬度為1.5cm?2.5cm。
[0017]上述的一種高鉭含量鈦鉭合金自耗電極的制備方法，其特征在于，步驟三中采用500T油壓機或2000T油壓機壓制所述待壓工件。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0019]1、本發(fā)明工藝簡單，設(shè)計合理且容易實現(xiàn)，采用特殊的壓制模具和布料方式，能夠保證制備的自耗電極均勻性良好、強度高，有效避免電極運輸、焊接、裝配以及熔煉過程中高熔點元素金屬粉末泄漏以及熔煉過程中掉塊、掉渣或電極斷裂等事故的發(fā)生，進一步采用真空自耗電弧熔煉爐對得到的自耗電極進行熔煉，可以保證鈦鉭合金鑄錠的良好冶金質(zhì)量。
[0020]2、本發(fā)明安全可靠，使用效果好且實用價值高，采用本發(fā)明中特殊的配料、混料和布料方式制得的自耗電極強度高、不漏粉，物料混合均勻且無金屬粉末局部聚集現(xiàn)象，進一步采用真空自耗電弧熔煉爐通過設(shè)置合適的熔煉工藝參數(shù)，可制備得到化學(xué)成分均勻，無高密度夾雜和偏析，氣體元素含量低的鈦鉭合金鑄錠，采用本發(fā)明能夠有效解決現(xiàn)有技術(shù)中含高熔點金屬元素的鈦合金鑄錠制備技術(shù)中存在的多種工藝技術(shù)難題。
[0021]3、本發(fā)明適用范圍廣，能夠適用于含其他高熔點合金元素(W、Mo、Nb等)的鈦合金鑄錠的的制備過程中。
[0022]下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明中壓制模具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明中裝于壓制模具中的坯料的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3為本發(fā)明制備的自耗電極的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖4為本發(fā)明實施例1制備的鈦鉭合金鑄錠的低倍組織圖。
[0027]圖5為本發(fā)明實施例1制備的鈦鉭合金鑄錠的顯微組織圖。
[0028]附圖標(biāo)記說明:
[0029]I一上模；2—下模；3—上模成型槽；
[0030]4一下模成型槽；5—底板；6—純鈦箔；
[0031]7—左金屬擋板；8—左側(cè)板； 9 一第一等份細(xì)顆粒零級海綿鈦；
[0032]10—第二等份細(xì)顆粒零級海綿鈦；11一第三等份細(xì)顆粒零級海綿鈦；
[0033]12—第四等份細(xì)顆粒零級海綿鈦；13—混合物；
[0034]