一种对tc4钛合金表面的超细化改性方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及的是一种用于外科植入领域的具有纳米增强银粒子的TC4铁合金的 表面改性方法，具体是采用揽拌摩擦表面处理技术对Ti-6A1-4V进行强塑性表面改性，即 对TC4铁合金表面的超细化改性方法，通过纳米级银粒子的加入，制备得到纳米复合生物 医用铁合金。
【背景技术】
[0002] 20世纪50年代初期，在英国和美国，纯铁首先被用来制造接骨板、髓关节、髓内钉 和螺钉等生物医用材料。但临床发现，纯铁制造的髓关节和髓内钉的强度、刚度明显不足。 此后，生物医用铁合金材料得到了巨大的发展。目前，铁合金是最引人瞩目的生物医用金属 学材料。可是，铁合金在生物医学方面的应用不只是对其力学性能有所要求，此外，在保证 生物安全性的基础上，还对与人体环境的生物相容性、耐蚀性等有更具体的要求，并且在不 同方面应用中差异较大。
[0003] 铁合金TC4材料的组成为Ti-6A1-4V，属于a+ 0型铁合金，具有良好的综合力学 机械性能。Ti-6A^4V合金由于其高比强度、低密度、生物相容性等多方面优异的性能，已 被广泛应用于诸多工业领域。但是，Ti-6A^4V合金的表面磨损性较差，在机械摩擦方面影 响了产品的使用寿命，并且限制了其在生物医用方面例如髓关节植入物等的应用巧]。对 Ti-6A^4V合金的表面改性研究可W很好地提高其表面的性能。近年来，揽拌摩擦加工技术 在国内飞速发展，它是一种新型的材料表面加工技术，具有广阔的应用前景。在国内，揽拌 摩擦加工技术的研究主要集中与侣儀等轻合金，可W提高合金表面的硬度、耐磨性及材料 整体的强度和塑、初性。而国内揽拌摩擦加工技术在生物医用金属方面的研究尚处于起步 阶段。揽拌摩擦加工技术可W对TC4铁合金表面进行改性，使其有更好的力学性能和表面 性能，并在一定程度上提高生物相容性。然而植入物的相关感染不可避免的出现在术后综 合症中，有文献报道，美国骨科植入物相干感染的年发病率达到4. 3%，成为困扰骨科植入 手术的主要难题。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种对TC4铁合金表面的超细化改 性方法，该方法针对现有技术及应用要求，将揽拌摩擦表面处理技术（re巧应用于TC4铁合 金中，实现材料表面晶粒度，粗糖度的有效控制，同时通过纳米级银粒子的加入提高材料表 面的耐磨性能和生物活性，避免植入后的细菌感染，可广泛应用于外科植入领域。 阳0化]本发明是通过W下技术方案实现的：
[0006] 本发明提供一种对TC4铁合金表面的超细化改性方法，其包括如下步骤：
[0007] Sl:选取无缺陷的TC4铁合金试样，进行打磨和矫直；
[0008] S2 :在所述TC4铁合金表面预制沟槽W便添加银颗粒；
[0009] S3:将银颗粒填撒在预制沟槽内，然后在揽拌摩擦焊设备的工作台上，在氣气的保 护下，进行加工。
[0010] 作为优选方案，所述TC4铁合金的冶炼方法为真空自耗炉烙炼。
[0011] 作为优选方案，所述真空自耗炉烙炼的操作为： 阳01引将Ti-6A^4V合金进行S次烙炼后，在Ti-6A^4V合金的0相变点W上对材料进 行开巧锻造，再在Ti-6A1-4V合金的a+e相区进行控溫锻造，最后进行热社；
[0013] 其中，所述开巧锻造溫度为1010~1050°C，控溫锻造和热社溫度为920~950°C。
[0014] 作为优选方案，所述沟槽的深度为0.5~2mm。
[0015] 作为优选方案，所述矫直采用四漉冷矫直机。
[0016] 作为优选方案，步骤S3中，所述揽拌摩擦焊设备的揽拌头加工速度为50mm/min， 揽拌头旋转速度为225~375r/min。
[0017] 作为优选方案，所述银颗粒的平均粒径为50nm。
[0018] 研究表明，与其他金属离子相比较，Ag+具有很强的杀菌能力，可W很好的避免骨 科植入术后的感染。因此，将纳米级Ag颗粒引入到TC4铁合金的强塑性变形中，使得材料 晶粒细化，机械性能提高的同时，极大程度的避免植入后的感染难题。
[0019]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0020] 用本发明的方法是在TC4铁合金表面进行，克服了该材料表面难变形的缺点，添 加纳米级银粒子后可显著细化晶粒，提高材料表面的生物活性，避免了植入后组织感染的 发生。
【附图说明】
[0021] 通过阅读参照W下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0022] 图1为1道次揽拌后的TC4表面Ag粒子层的分布（加工速度50mm/min，揽拌头旋 转速度 375r/min);
[0023] 图2为实施例1的产品和对照样纳米压痕加载曲线图；
[0024] 图3为图2中对应压痕的沈M图；
[00巧]图4为金黄色葡萄球菌分别接种在产品和对照样后的试验结果图；
[00%] 图5为加银试样的抗菌率图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。W下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不W任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可W做出若干变形和改进。运些都属于本发明 的保护范围。 阳0巧]连施俩I1
[0029] 采用揽拌摩擦表面处理对TC4铁合金表面改性，具体步骤如下：
[0030] (a)、材料制备：采用中间合金添加料按成分配比称料，利用真空自耗烙炼技术反 复S次烙炼Ti-6Al-4V(wt% )铁合金，烙炼出直径80~120mm的铸锭。分别在1050°C和 950°C对材料进行锻造，锻造成厚度在30~50mm的方巧，打磨材料表面缺陷后在950°C对材 料进行热社，道次变形量控制在5~8%，社制到厚度4~6mm左右；
[00川 化）、材料探伤、表面处理：将社制后厚度为4~6mm左右的TC4铁合金表面打磨去 除氧化皮、采用四漉冷矫直机对材料矫直，采用超声波探伤确定材料无气孔等缺陷，用打磨 机将