本发明涉及牙弓丝加工技术领域，属于生物医用材料领域，具体涉及一种低模量高弹性β型钛合金牙弓丝的制备方法。
背景技术：
人们牙齿畸形现象普遍存在，牙齿正畸可以起到美观、减少牙齿疾病等作用，正日益爱到人们的重视。牙齿正畸是通过牙齿移动或位移达到牙齿畸形矫治的目的，使得牙齿排列整齐、上下对位、减少和避免牙齿松动。目前用于牙齿矫形的金属丝即牙齿矫形丝，也叫牙弓丝，主要是镍钛合金丝和奥氏体不锈钢丝。镍钛合金丝具有形状记忆和超弹性的特性，矫治力柔和持久，位移范围宽，是目前最为广泛使用的牙弓丝。不锈钢矫形丝弹性范围小，矫治力比较大，矫治位移小。这两类矫形丝在矫治的不同阶段使用，互为补充。然而，无论是不锈钢丝还是镍钛合金丝，都存在有害金属镍的危害，牙弓丝也需要经常更换调整。钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、无磁性的特点，在矫形外科、齿科领域已广泛使用。低模量高弹性β钛合金材料，具有比不锈钢低得多的弹性模量、中等的拉伸强度和良好的塑性，不仅可提供牙齿矫形需要的持久温和矫治力，还可满足牙齿中长期矫形需要的位移量，作为不锈钢牙弓丝的替补和对镍钛牙弓丝的补充具有很好的应用前景，但是现在钛合金牙弓丝制备工艺复杂，制造效率低，制备的钛合金牙弓丝规格尺寸还不能很好的满足使用要求。因此有必要提出改进。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题：提供一种低模量高弹性β型钛合金牙弓丝的制备方法，该方法充分利用β型钛合金在一定温度下强度低、延伸性好的特点，经过低温旋锻，增大变形量，减少道次数量，并采用多模拉拔设备，对低模量高弹性β型钛合金棒材进行多模拉拔，拉拔过程中合理控制拉拔设备的工作参数，同时控制钛合金道次变形量及润滑条件，经相应的固溶处理，并经过表面光亮处理工艺，制备成低模量高弹性β型钛合金牙弓丝，是一种工艺简单、制造效率高、产品效果好的钛合金牙弓丝制备方法，能满足人们的不同需要；并且β型钛合金牙弓丝具有良好的生物相容性、低弹性模量和高弹性，可以获得稳定温和的矫治力和持久缓和的位移，无需或很少更换矫形丝即可实现牙齿的较大位移。
本发明采用的技术方案：一种低模量高弹性β型钛合金牙弓丝的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：选择合适规格的β型钛合金热轧棒材；
步骤二：退火处理：对钛合金热轧棒材进行完全退火处理，选择退火温度为850～900℃，退火时间为30～60min，冷却方式采用空冷或水冷；
步骤三：低温旋锻：将退火处理后的钛合金棒材在旋锻机上进行低温旋锻处理成钛合金丝材，选择旋锻温度为300～500℃，进料速度为5～15mm/s，道次变形量为15～40％；
步骤四：对低温旋锻后的钛合金丝材表面均匀涂抹润滑剂；
步骤五：多模拉拔：对经表面润滑的钛合金丝材进行多模次冷拉拔，直至拉拔成所需尺寸的钛合金牙弓丝，选择拉拔速度为300～600mm/min，道次变形量小于15％，每次使用模具2～5个，相邻两模具的拉拔尺寸递减量为0.1～0.2mm；其中，每经过1～3模次拉拔后，需要对钛合金丝材进行超声清洗，并进行中间退火处理，中间退火温度为800℃～850℃，退火时间为1～10min，然后对钛合金丝材表面进行润滑后，再进行下一次拉拔；
步骤六：精整处理：对拉拔成型的钛合金牙弓丝通过金属清洗剂和超声波清洗除油，并通过光亮酸洗的方式进行去氧化层处理；
步骤七：固溶处理：在真空条件下对钛合金牙弓丝进行固溶处理，选择温度为800～850℃，时间为5～30min，冷却方式采用空冷或水冷，固溶处理时真空度为≤5x10-3mpa；
步骤八：对固溶处理后的钛合金牙弓丝采用光亮酸洗的方式进行表面抛光处理，然后用清水充分冲洗。
步骤九：对表面处理后的钛合金牙弓丝通过电镀或热浸镀方式制备金属镀层；
步骤十：将镀层后的钛合金牙弓丝通入惰性气体中，以一定的速度向钛合金牙弓丝均匀滴加抗腐蚀液，真空干燥后得到牙弓丝成品。
其中，上述步骤四和五中所述的润滑剂采用mos2与石墨乳状混合润滑剂，mos2与石墨乳的混合质量份数比为mos2：石墨＝80～85：15～20。
上述步骤五中采用圆模或矩形模将钛合金丝材拉拔成横截面为圆形或矩形的钛合金牙弓丝。
上述步骤六和八中所述的光亮酸洗是采用体积份数比为hf：hno3：h2o＝10：20：70的溶液进行，酸洗处理的时间为10～80秒。
上述步骤九中利用电镀或热浸镀在钛合金牙弓丝制备镀层时，通过调整制备工艺获得不同金属镀层厚度，所述镀层厚度在0.02～0.04mm。
上述步骤十中，将钛合金牙弓丝通入惰性气体的速度为1～2m/s，所述向钛合金牙弓丝均匀滴加抗腐蚀液的速度为1.5～2.5ml/min；所述抗腐蚀液为聚丙烯酸酯、单宁酸、酒石酸钾钠、硫酸铟以8:6:3:2的重量比混合后制成的溶液，所述真空干燥的真空度为3～5x10-3mpa，所述干燥温度为50～55℃，干燥时间4～9h。
本发明与现有技术相比的优点：
1、本钛合金牙弓丝制备方法充分利用β型钛合金在一定温度下强度低、延伸性好的特点，经过低温旋锻，增大变形量，减少道次数量，并采用多模拉拔设备对低模量高弹性β型钛合金棒材进行多模拉拔，拉拔过程中合理控制拉拔设备的工作参数，同时控制钛合金道次变形量及润滑条件，经相应的固溶处理，并经过表面光亮处理工艺，制备成低模量高弹性β型钛合金牙弓丝，是一种工艺简单、制造效率高、产品效果好的钛合金牙弓丝制备方法；
2、对钛合金牙弓丝进行固溶处理，能够使成品钛合金牙弓丝基体内碳化物、γ’相等得到均匀的过饱和固溶体，消除由于冷热加工产生的应力，使合金发生再结晶，提高产品性能；
3、本方案在钛合金牙弓丝表面制备一层金属镀层，能够改变钛合金牙弓丝的色泽，使产品能够满足人们不同的使用要求；
4、本方案对钛合金牙弓丝进行抗腐蚀处理，能够提高钛合金牙弓丝表面金属镀层的抗腐蚀性，使牙弓丝能很好的适应人口腔中环境，提高牙弓丝镀层使用寿命。
5、本方案制备的低模量高弹性β钛合金牙弓丝与不锈钢及镍钛牙弓丝相比，具有更好的生物相容性，不含对人体构成危害的镍、铜、钒、铬、铝等合金元素，在口腔环境中无腐蚀性，无过敏性，持久耐用，安全可靠；
6、本方案制备的低模量高弹性β钛合金牙弓丝与现有的奥氏体不锈钢牙弓丝相比，弹性模量(约50gpa)仅有不锈钢牙弓丝(180～200gpa)的近1/4～1/3，弹性回缩范围更大，能够在比不锈钢牙弓丝更宽泛的范围内获得牙齿的位移，在牙齿矫治过程中更少调整或更换牙弓丝，从而减少矫治时间和费用；
7、本方案制备的低模量高弹性β钛合金牙弓丝与现有的奥氏体不锈钢牙弓丝相比，具有800～1100mpa的抗拉强度，比不锈钢牙弓丝1600～2000mpa的拉伸强度低很多，从而能够很好地避免由于不锈钢牙弓丝较大的矫治力引起的牙周膜损坏和牙槽骨吸收；
8、本方案制备的低模量高弹性β钛合金牙弓丝与现有的镍钛牙弓丝相比，比镍钛牙弓丝300～500mpa的拉伸强度高，矫治力强度适中，能够针对不同的人群和牙齿畸形程度，通过改变牙弓丝的截面形状和面积，获得适当的矫治力和位移程度。
具体实施方式
下面描述本发明的实施例。
实施例一：
选择规格为φ25mm的ti-11mo-5zr-4sn-3nb钛合金热轧棒，对钛合金热轧棒材进行退火处理，退火温度选900℃，退火时间选30min，冷却方式采用空冷；将退火处理后的钛合金棒材在旋锻机上进行低温锻打，处理成钛合金丝材，温度选为500℃，进料速度15mm/s，道次变形量小于40％，获得φ4mm的钛合金圆丝。将mos2与石墨乳状混合润滑剂均匀涂于φ4mm的钛合金圆丝表面，接着，当采用圆模拉拔圆丝时，拉拔速度选用600mm/min，道次变形量小于15％，经过3道次拉拔获得φ2.0mm圆丝；然后对φ2.0mm的圆丝经超声清洗，并进行中间退火，中间退火温度为800℃、中间退火时间10min，再重复之前表面润滑处理步骤，再经2模拉拔获得φ1.5mm圆丝；按照上述步骤如法炮制，直至获得φ0.5mm圆丝。当采用矩形模拉拔矩形丝，拉拔速度选400mm/min，道次变形量小于15％，经过3道次获得φ0.35x0.35mm矩形丝，然后对φ0.35x0.35mm矩形丝经超声清洗，并进行中间退火，中间退火温度为800℃、中间退火时间5min，再重复之前表面润滑处理步骤，如法炮制,再经3模拉拔获得φ0.2x0.2mm矩形丝。对上述的圆形丝或矩形进行清洗除油、去氧化皮，然后在真空条件下进行固溶处理，固溶处理选择温度为850℃、时间为5min、冷却方式采用水冷；采用体积份数比hf：hno3：h2o＝10：20：70的溶液对钛合金圆丝或矩形丝进行光亮化处理，酸处理的时间为30秒，然后用清水充分冲洗。利用电镀方式在钛合金牙弓丝制备金属镀层，金属镀层厚度为0.02mm；将钛合金牙弓丝以2m/s的速度通入惰性气体中，向钛合金牙弓丝均匀滴加抗腐蚀液，滴加抗腐蚀液速度为1.5ml/min；最后，对牙弓丝进行干燥，干燥温度为50℃，干燥时间4h，得到成品牙弓丝。
本实施例固溶处理后的钛合金牙弓丝性能如下：抗拉强度rm：1000mpa；屈服强度rp0.2：980mpa；延伸率a：9％；弹性模量e：50gpa。
实施例二：
选择规格为φ20mm的ti-11mo-5zr-4sn-3nb钛合金热轧棒，对钛合金热轧棒材进行退火处理，退火温度选900℃，退火时间选30min，冷却方式采用空冷；将退火处理后的钛合金棒材在旋锻机上进行低温锻打，处理成钛合金丝材，温度选为300℃，进料速度5mm/s，道次变形量小于20％，获得φ3mm钛合金圆丝。接着将mos2与石墨乳状混合润滑剂均匀涂于φ3mm钛合金圆丝表面，采用圆模拉拔圆丝，拉拔速度设定为400mm/min，道次变形量小于15％，经过3道次获得φ1.5mm圆丝，然后对φ1.5mm圆丝经超声清洗，并进行中间退火，中间退火温度为800℃、中间退火时间10min，再重复之前表面润滑处理步骤，再经2模拉拔获得φ1.0mm丝材，如法炮制，直至获得φ0.2mm钛合金圆丝。对上述φ0.2mm钛合金圆丝进行固溶，固溶处理温度设定为850℃、时间为10min、冷却方式采用水冷。最后采用体积份数比hf：hno3：h2o＝10：20：70的溶液进行光亮化处理，酸处理的时间为60秒，然后用清水充分冲洗。利用电镀方式在钛合金牙弓丝制备金属镀层，金属镀层厚度为0.03mm；将钛合金牙弓丝以2m/s的速度通入惰性气体中，向钛合金牙弓丝均匀滴加抗腐蚀液，滴加抗腐蚀液速度为1.5ml/min；最后，对牙弓丝进行干燥，干燥温度为55℃，干燥时间6h，得到成品牙弓丝。
本实施例固溶处理后的钛合金牙弓丝性能如下：抗拉强度rm：1100mpa；屈服强度rp0.2：992mpa；延伸率a：8％；弹性模量e：52gpa。
本发明充分利用β型钛合金在一定温度下强度低、延伸性好的特点，经过低温旋锻，增大变形量，减少道次数量，并采用多模拉拔设备对低模量高弹性β型钛合金棒材进行多模拉拔，拉拔过程中合理控制拉拔设备的工作参数，同时控制钛合金道次变形量及润滑条件，经相应的固溶处理，并经过表面光亮处理工艺，制备成低模量高弹性β型钛合金牙弓丝，是一种工艺简单、制造效率高、产品效果好的钛合金牙弓丝制备方法。本发明在钛合金牙弓丝表面制备一层金属镀层，能够改变钛合金牙弓丝的色泽，使产品能够满足人们不同的使用要求；并对钛合金牙弓丝进行抗腐蚀处理，能够提高钛合金牙弓丝表面金属镀层的抗腐蚀性，使牙弓丝能很好的适应人口腔中环境，提高牙弓丝镀层使用寿命。
本发明制备方法制成的低模量高弹性β钛合金牙弓丝与不锈钢和镍钛牙弓丝相比，具有更好的生物相容性，不含对人体构成危害的镍、铜、钒、铬、铝等合金元素，在口腔环境中无腐蚀性，无过敏性，持久耐用，安全可靠；与现有的奥氏体不锈钢牙弓丝相比，弹性模量(约50gpa)仅有不锈钢牙弓丝(180～200gpa)的近1/4～1/3，弹性回缩范围更大，能够在比不锈钢牙弓丝更宽泛的范围内获得牙齿的位移，在牙齿矫治过程中更少调整或更换牙弓丝，从而减少矫治时间和费用；与现有的奥氏体不锈钢牙弓丝相比，具有800～1100mpa的抗拉强度，比不锈钢牙弓丝1600～2000mpa的拉伸强度低很多，从而能够很好地避免由于不锈钢牙弓丝较大的矫治力引起的牙周膜损坏和牙槽骨吸收；与现有的镍钛牙弓丝相比，比镍钛牙弓丝300～500mpa的拉伸强度高，矫治力强度适中，能够针对不同的人群和牙齿畸形程度，通过改变牙弓丝的截面形状和面积，获得适当的矫治力和位移程度。
上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。