一种钛合金TC4接骨板和TC4ELI接骨板的制造方法与流程

本发明涉及医用人体植入物钛合金接骨板技术领域，具体领域为一种钛合金接骨板。

背景技术：

生物医用材料是指具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对生物体组织不会产生不良影响的材料，钛及钛合金就是普遍使用的生物医用金属材料。上世纪五十年代初期，纯钛首先在英国和美国被用来制造接骨板、螺钉、髓内钉和髋关节等生物医用材料；但临床发现，纯钛制造的髓内钉和髋关节存在明显的强度、刚度不足的问题。此后，生物医用钛合金材料得到重大进展,应用牌号不断增加。国内目前生物医用钛合金也是发展很快，得到普遍应用，发展前景广阔。

生物医用钛合金可分为3类：α型、(α+β)型、β型。为避免内固定植入物的断裂失效，提高植入物的强度，在英、美、俄、日等国，出现了采用高强度ti-6al-4v(中国牌号tc4，α+β型)钛合金代替纯钛材料。随后又出现了ti-6al-4veli(中国牌号tc4eliα+β型)高损伤容限钛合金，直到目前占80％以上钛合金植入物产品仍在使用这类合金。

钛合金接骨板是骨科最常用的钛合金制品，由于受拉伸应力，压缩应力，弯曲应力交替变化，对接骨板力学性能要求较高，而tc4和tc4eli钛合金综合性能良好，被国内外普遍使用。传统的钛合金接骨板是用tc4和tc4eli轧制板材制造，制造方法是：选取合理的钛合金轧制板材剪切下料，经过机械加工，制造出合格精度和尺寸的接骨板。一方面，由于接骨板形状因素，使其机械加工余量大，材料利用率低，成本较高。另一方面，因为钛合金轧制板材有明显力学性能各向异性——轧制方向力学性能高，与轧制方向的横向力学性能低，使接骨板受力时各方向力学性能不一致，性能稳定性差，容易造成接骨板疲劳断裂问题，影响使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钛合金tc4接骨板和tc4eli接骨板的制造方法，用tc4(tc4eli)光棒为原料，通过模锻热加工，解决现有工艺中钛合金接骨板加工余量大和各向异性问题。

钛合金的模锻是钛合金近净成形制造工艺之一，tc4(tc4eli)是国内外航空航天、军工舰船、深潜器等领域的重要结构材料。多年来，该类钛合金牌号的模锻工艺，特别是模具制造工艺、热加工工艺作为核心技术均被严格保密。

为实现上述目的，本发明具体提供如下技术方案：

一种钛合金tc4接骨板和tc4eli接骨板的制造方法，包括以下步骤：

(1)钛合金接骨板模锻模具制备；

(2)接骨板坯料制备：所述接骨板坯料为钛合金tc4或tc4eli棒料；

(3)钛合金接骨板模锻：

①坯料加热：加热温度为850-950℃，保温时间0.5-1.0小时；

②锻压：采取低速率变形方式，变形速率控制在0.05-0.5s^-1，总变形量＞70％；保证产品不出缺陷又能流变充满模具；

(4)钛合金接骨板成品加工：去除飞边毛刺，进行去应力退火，退火温度为600-650℃，保温0.5小时，炉冷。

本发明所述的钛合金tc4接骨板和tc4eli接骨板的制造方法，其中，所述步骤(1)中，模具材料选用含铬钼钒的马氏体热作模具钢。其优点是膨胀系数小，硬度较高(hrc＞50)，抗氧化性能好，热处理工艺简单，使用寿命较长。

本发明所述的钛合金tc4接骨板和tc4eli接骨板的制造方法，为了保证锻压时合理的金属流向，选用正挤压方式。其中，所述模具设计成上模和下模；为了保证工件流变充满，采用上下模垂直方向变形，使金属按挤压方向流动，底部成形后向左右流动。为方便取出成品，模具根据接骨板尺寸设计斜度角为2-3度。

本发明所述的钛合金tc4接骨板和tc4eli接骨板的制造方法，其中，所述步骤(2)中，所述接骨板坯料选用钛合金热轧成形磨光棒料。其成分范围不仅完全符合国标、美标和国际标准，还含有细化晶粒组织稳定机械性能的微量元素，有效保证接骨板的良好力学性能。

本发明所述的钛合金tc4接骨板和tc4eli接骨板的制造方法，其中，所述棒料的规格尺寸根据接骨板的大小确定，锯切下料；棒料表面涂装防氧化润滑涂料，在＜400℃下烘干，保证钛合金棒料加热和锻压时表面的氧化和锻压时润滑。

本发明所述的钛合金tc4接骨板和tc4eli接骨板的制造方法，其中，所述防氧化润滑涂料的主要成分包括玻璃体和硼化物。

本发明所述的钛合金tc4接骨板和tc4eli接骨板的制造方法，其中，所述步骤(3)中，所述坯料在箱式电阻炉中加热；所述锻压在电脑控制的800吨液压快锻机上进行，保证钛合金接骨板锻压加工过程的准确性，变形速率、变形量可精准控制。

本发明所述的钛合金tc4接骨板和tc4eli接骨板的制造方法，其中，所述步骤(4)中，退火在电炉中进行，并用专用支具支撑。

本发明所述的钛合金tc4接骨板和tc4eli接骨板的制造方法，其中，退火后的钛合金接骨板进行校正精整，修磨；然后按照接骨板成品图纸，用cnc数控加工中心进行精确机械加工；机械加工后成品进行探伤检查，组织分析，力学性能测试，成品入库。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明是用钛合金棒材在超塑性温度下，低速率变形，流变成形，使接骨板组织细化，性能均匀稳定，确定了较完整的该类钛合金模锻模具制造工艺和接骨板的模锻热加工工艺。本发明的制造方法解决了现有工艺中钛合金接骨板加工余量大和各向异性问题。

附图说明

图1为采用本发明的制造方法所制备的接骨板照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种钛合金tc4接骨板和tc4eli接骨板的制造方法，包括以下步骤：

(1)钛合金接骨板模锻模具制备：

其工艺流程为：接骨板模具cad设计图→模具钢下料→数控加工中心(cnc)机械加工→模具热处理→精加工→修磨抛光→验模→成品模具

模具材料选用含铬钼钒的马氏体热作模具钢。其优点是膨胀系数小，硬度较高(hrc＞50)，抗氧化性能好，热处理工艺简单，使用寿命较长。为了保证锻压时合理的金属流向，选用正挤压方式。其中，模具设计成上模和下模；为了保证工件流变充满，采用上下模垂直方向变形，使金属按挤压方向流动，底部成形后向左右流动。为方便取出成品，模具根据接骨板尺寸设计斜度角为2-3度。

(2)接骨板坯料制备：

其工艺流程为：选定钛合金棒材规格→钛合金棒料锯切→棒料表面涂防氧化涂料→入烘干炉烘干棒料→坯料备用

接骨板坯料为钛合金tc4或tc4eli棒料，选用钛合金热轧成形磨光棒料，其成分范围不仅完全符合国标、美标和国际标准，还含有细化晶粒组织稳定机械性能的微量元素，有效保证接骨板的良好力学性能。

棒料的规格尺寸根据接骨板的大小确定，锯切下料；棒料表面涂装防氧化润滑涂料，在＜400℃下烘干，保证钛合金棒料加热和锻压时表面的氧化和锻压时润滑。防氧化润滑涂料的主要成分包括玻璃体和硼化物。

(3)接骨板生产

工艺流程为：接骨板坯料制备(棒料)→坯料加热→用模具锻压成形→修整打磨→退火校正→机械加工(cnc)→检查测试→成品入库

钛合金接骨板模锻：

①坯料加热：在箱式电阻炉中加热；加热温度为850-950℃，保温时间0.5-1.0小时；

②锻压：采取低速率变形方式，变形速率控制在0.05-0.5s^-1，总变形量＞70％，保证产品不出缺陷又能流变充满模具；锻压在电脑控制的800吨液压快锻机上进行，保证钛合金接骨板锻压加工过程的准确性，变形速率、变形量可精准控制。

钛合金接骨板成品加工：去除飞边毛刺，进行去应力退火，在电炉中进行，并用专用支具支撑，退火温度为600-650℃，保温0.5小时，炉冷。

退火后的钛合金接骨板进行校正精整，修磨；然后按照接骨板成品图纸，用cnc数控加工中心进行精确机械加工；机械加工后成品进行探伤检查，组织分析，力学性能测试，成品入库。

本钛合金接骨板的制造方法最终制得的接骨板如图1所示。其力学性能如下：

tc4接骨板(纵向，横向)：σb：980-1080mpa；δ(％)：12-15；ψ(％)：30-32。

tc4eli接骨板(纵向，横向)：σb：890-980mpa；δ(％):15-25；ψ(％):32-36。

两种接骨板的金相组织均达到生物医用钛合金国际标准和gb/t13810-2016a1-a3组织标准。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。