本发明属于生物医用材料制备领域，具体涉及一种制备钛合金铸锭的方法。
背景技术：
随着医疗技术的不断提高，人们对医用材料的需求日益增多，传统的医用材料已经无法满足现有的需求。钛合金由于其具有优异的力学性能，低杨氏模量以及良好的生物相容性，广泛应用在生物医用金属材料中。钛合金由于具有较大的广泛应用前景，已经成为生物医用金属材料的研究热点材料。
随着科学的不断进步，对医用材料的要求也不断提高。最初的钛合金主要是以含有对人体有害元素al和v为代表的合金，而且其耐磨性差。现在的医用钛合金主要是ti-6al-4v医用钛合金，因其具有α相导致其弹性模量仍严重偏高，生物相容性极为需要改进。ti-29nb-13ta-4.6zr合金作为新型β型钛合金，不仅提高了合金的强度，增强了其耐磨性，更是具有较低弹性模量以及更好生物相容性。
目前，国内外针对ti-29nb-13ta-4.6zr合金材料常采用电弧炉熔炼法、电子束冷床熔炼以及放电等离子烧结等方法，利用电弧炉熔炼法所制备的ti-29nb-13ta-4.6zr合金材料，由于会被工艺限制使材料高密度夹杂，偏析较严重，且不能生产尺寸较大的铸锭。电子束冷床熔炼虽然消除了之前的缺点，但是该方法金属损失多，成分不易控制而且铸锭一般超大超长，对后续处理要求设备要求较高。采用放电等离子烧结方法效率低，且不能生产尺寸较大的合金。因此，现在需要一种更好地制备钛合金铸锭的方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种制备钛合金铸锭的方法，针对现有的ti-29nb-13ta-4.6zr合金制备技术缺陷，便于快速高效的制备组织均匀，纯净度高，力学性能优异的ti-29nb-13ta-4.6zr合金的铸锭。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种制备钛合金铸锭的方法，制备ti-29nb-13ta-4.6zr，制备步骤如下：
步骤1、材料准备：去除钛片、铌片、钽片和锆片的氧化皮层，利用超声波清洗机洗净钛片、铌片、钽片和锆片；它们的质量百分比如下：钛片53.4%、铌片29%、钽片13%和锆片4.6%；
步骤2、真空悬浮熔炼炉抽真空：先将真空悬浮熔炼炉抽粗真空至90-100pa，最后抽高真空至6x10-3pa以下；
步骤3、真空悬浮熔炼炉充保护气体：在真空悬浮熔炼炉充入高纯氩气至350-850pa；
步骤4、分批熔炼原材料：首先将加热功率加到80-100kw，稳定1-2分钟；其次提高加热功率至180-200kw，稳定1-2分钟；然后提高功率至280-300kw，稳定1-2分钟；最后提高加热功率至350kw，充分熔化纯钽片后，保持温度在3100-3250℃，持续加热3-5分钟；
降低功率至270-310kw，通过加料器将将纯铌片加入到钽的熔液内，充分熔化纯铌片后，保持温度在2500-3000℃，持续加热3-5分钟。
降低功率至200-250kw，通过加料器将纯锆片逐渐加入到熔液中，充分熔化纯锆片后，保持温度在1850-2250℃，持续加热3-5分钟；
降低功率至180-220kw，通过加料器将纯钛薄片逐渐加入到熔液中，充分熔化纯钛片后，保持温度在1650-1950℃；
步骤5、合金精炼：提升加热功率至300-320kw，持续加热8-10分钟；
步骤6、合金冷却：以30-50kw为阶梯，逐渐降低电源功率，随炉冷却至50℃以下后制得铸锭；
步骤7、翻转合金铸锭熔炼：打开真空悬浮熔炼炉炉门，将铸锭翻转180°后重新放入悬浮熔炼炉内；重复步骤2和步骤3，再重新对铸锭进行加热，首先将加热功率加到70-80kw，稳定1-2分钟；然后提高加热功率至140-160kw，稳定1-2分钟，最后提高加热功率至180-220kw，保持温度在1650-1950℃，持续加热10-15分钟，接着经过步骤5、步骤6，重新得到合金铸锭；
步骤8、反复熔炼合金铸锭：翻转合金铸锭熔炼3次以上，得到最终的ti-29nb-13ta-4.6zr(wt%)大块铸锭。
进一步地，步骤1所述的钛片、铌片、钽片和锆片的纯度均高于99.99%(wt%)。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）通过本发明制备得到的ti-29nb-13ta-4.6zr合金纯净度十分高，其他杂质元素含量非常低。
（2）所得到的ti-29nb-13ta-4.6zr合金组织均匀，晶粒尺寸细化，优异的力学性能，高强度，塑性好。
（3）材料均一性好，收得率高，可以制备得到大尺寸铸锭，可实现工业化量产。
附图说明
图1为本发明制备钛合金铸锭的方法的流程图。
图2为本发明制备的ti-29nb-13ta-4.6zr合金铸锭的室温压缩应力应变曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种制备钛合金铸锭的方法，制备ti-29nb-13ta-4.6zr，制备步骤如下：
步骤1、材料准备：去除钛片、铌片、钽片和锆片的氧化皮层，利用超声波清洗机洗净钛片、铌片、钽片和锆片；它们的质量百分比如下：钛片53.4%、铌片29%、钽片13%和锆片4.6%；
步骤2、真空悬浮熔炼炉抽真空：先将真空悬浮熔炼炉抽粗真空至90-100pa，最后抽高真空至6x10-3pa以下；
步骤3、真空悬浮熔炼炉充保护气体：在真空悬浮熔炼炉充入高纯氩气至350-850pa；
步骤4、分批熔炼原材料：首先将加热功率加到80-100kw，稳定1-2分钟；其次提高加热功率至180-200kw，稳定1-2分钟；然后提高功率至280-300kw，稳定1-2分钟；最后提高加热功率至350kw，充分熔化纯钽片后，保持温度在3100-3250℃，持续加热3-5分钟；
降低功率至270-310kw，通过加料器将将纯铌片加入到钽的熔液内，充分熔化纯铌片后，保持温度在2500-3000℃，持续加热3-5分钟。
降低功率至200-250kw，通过加料器将纯锆片逐渐加入到熔液中，充分熔化纯锆片后，保持温度在1850-2250℃，持续加热3-5分钟；
降低功率至180-220kw，通过加料器将纯钛薄片逐渐加入到熔液中，充分熔化纯钛片后，保持温度在1650-1950℃；
步骤5、合金精炼：提升加热功率至300-320kw，持续加热8-10分钟；
步骤6、合金冷却：以30-50kw为阶梯，逐渐降低电源功率，随炉冷却至50℃以下后制得铸锭；
步骤7、翻转合金铸锭熔炼：打开真空悬浮熔炼炉炉门，将铸锭翻转180°后重新放入悬浮熔炼炉内；重复步骤2和步骤3，再重新对铸锭进行加热，首先将加热功率加到70-80kw，稳定1-2分钟；然后提高加热功率至140-160kw，稳定1-2分钟，最后提高加热功率至180-220kw，保持温度在1650-1950℃，持续加热10-15分钟，接着经过步骤5、步骤6，重新得到合金铸锭；
步骤8、反复熔炼合金铸锭：翻转合金铸锭熔炼3次以上，得到最终的ti-29nb-13ta-4.6zr(wt%)大块铸锭。
进一步地，步骤1所述的钛片、铌片、钽片和锆片的纯度均高于99.99%(wt%)。
实施例1：
一种制备钛合金铸锭的方法，制备步骤如下：
步骤1、材料准备：以纯度达到99.99%的5*5*5mm3钛片、3*3*3mm3钽片、2*2*2mm3铌片、和2*2*2mm3锆片为原材料，利用锉刀或者砂纸将原材料表面的氧化皮层去除，利用超声波清洗机加入无水乙醇对原材料进行清洗和干燥后，按总质量为10kg按ti53.4%、nb29%、ta13%、zr4.6%的质量百分比（wt.%）进行配料。将铌片和钽片放入悬浮熔炼炉直径为140mm的坩埚，锆片和钛片放置在投料器内。
步骤2、真空悬浮熔炼炉抽真空：
检查真空系统、气动系统、水冷系统，电源系统等各指标是否正常。
关闭真空悬浮熔炼炉门后，启动机械泵，打开粗抽阀，抽真空至400pa时打开罗茨泵，继续抽真空至100pa。
打开前置阀和扩散泵的冷却水进、回水阀门，对扩散泵预抽真空；当真空度达到500pa时，启动油扩散泵加热系统；扩散泵预热30分钟后，油温升到油蒸发温度，关闭粗抽阀，开启精抽阀，直至抽到5x10-3pa。
步骤3、真空悬浮熔炼炉充保护气体：打开减压阀，打开充氩控制阀充入高纯氩气至400pa。
步骤4、分批熔炼原材料：首先将加热功率加到100kw，稳定2分钟；其次提高加热功率至200kw，稳定2分钟；然后提高功率至300kw，稳定2分钟；最后提高加热功率至350kw，充分熔化纯钽片后，保持温度在3200℃，持续加热4分钟。
降低功率至300kw，通过加料器将将纯铌片加入到钽的熔液内，充分熔化纯铌片后，保持温度在2800℃，持续加热4分钟。
降低功率至250kw，通过加料器将纯锆片逐渐加入到熔液中，充分熔化纯锆片后，保持温度在2250℃，持续加热4分钟。
降低功率至200kw，通过加料器将纯钛薄片逐渐加入到熔液中，充分熔化纯钛片后，保持温度在1800℃，持续加热4分钟。
步骤5、合金精炼：提升加热功率至310kw，持续加热10分钟。
步骤6、合金冷却：以40kw为阶梯，逐渐降低电源功率，随炉冷却至50℃后制得铸锭。
步骤7、翻转合金铸锭熔炼：打开真空悬浮熔炼炉炉门，将合金铸锭翻转180°后重新放入悬浮熔炼炉内。经过步骤2、步骤3，重新对合金铸锭进行加热。首先将加热功率加到80kw，稳定2分钟；然后提高加热功率至160kw，稳定2分钟；最后提高加热功率至200kw，保持温度在1850℃，持续加热15分钟。最后经过步骤5、步骤6，重新得到合金铸锭。
步骤8、反复熔炼合金铸锭：翻转合金铸锭熔炼3次以上，得到最终的ti-29nb-13ta-4.6zr(wt%)大块铸锭，其室温压缩应力-应变曲线如图2所示，该合金在室温下的准静态压缩试验过程中，试件被压成薄饼状且未断裂，其屈服强度为610mpa。
实施例2：
一种制备钛合金铸锭的方法，制备步骤如下：
步骤1、材料准备：以纯度达到99.99%的3*3*3mm3钛片、3*3*3mm3钽片、3*3*3mm3铌片、和1*1*1mm3锆片为原材料，利用锉刀或者砂纸将原材料表面的氧化皮层去除，利用超声波清洗机加入无水乙醇对原材料进行清洗和干燥后，按总质量为10kg按ti53.4%、nb29%、ta13%、zr4.6%的质量百分比（wt.%）进行配料。将铌片和钽片放入悬浮熔炼炉直径为140mm的坩埚，锆片和钛片放置在投料器内。
步骤2、真空悬浮熔炼炉抽真空：
检查真空系统、气动系统、水冷系统，电源系统等各指标是否正常。
关闭真空悬浮熔炼炉门后，启动机械泵，打开粗抽阀，抽真空至400pa时打开罗茨泵，继续抽真空至100pa。
打开前置阀和扩散泵的冷却水进、回水阀门，对扩散泵预抽真空；当真空度达到500pa时，启动油扩散泵加热系统；扩散泵预热30分钟后，油温升到油蒸发温度，关闭粗抽阀，开启精抽阀，直至抽到6x10-3pa。
步骤3、真空悬浮熔炼炉充保护气体：打开减压阀，打开充氩控制阀充入高纯氩气至500pa。
步骤4、分批熔炼原材料：首先将加热功率加到80kw，稳定1分钟；其次提高加热功率至190kw，稳定1分钟；然后提高功率至300kw，稳定2分钟；最后提高加热功率至350kw，充分熔化纯钽片后，保持温度在3150℃，持续加热5分钟。
降低功率至280kw，通过加料器将将纯铌片加入到钽的熔液内，充分熔化纯铌片后，保持温度在2650℃，持续加热3分钟。
降低功率至230kw，通过加料器将纯锆片逐渐加入到熔液中，充分熔化纯锆片后，保持温度在2000℃，持续加热3分钟。
降低功率至190kw，通过加料器将纯钛薄片逐渐加入到熔液中，充分熔化纯钛片后，保持温度在1700℃，持续加热3分钟。
步骤5、合金精炼：提升加热功率至300kw，持续加热8分钟。
步骤6、合金冷却：以50kw为阶梯，逐渐降低电源功率，随炉冷却至40℃后制得铸锭。
步骤7、翻转合金铸锭熔炼：打开真空悬浮熔炼炉炉门，将合金铸锭翻转180°后重新放入悬浮熔炼炉内。经过步骤2、步骤3，重新对合金铸锭进行加热。首先将加热功率加到75kw，稳定1分钟；然后提高加热功率至150kw，稳定2分钟，最后提高功率至190kw，保持温度在1750℃，持续加热10分钟。最后经过步骤5、步骤6，重新得到合金铸锭。
步骤8、反复熔炼合金铸锭：翻转合金铸锭熔炼3次以上，得到最终的ti-29nb-13ta-4.6zr(wt%)大块铸锭。