一种用于椎弓根螺钉的TC4钛合金棒材及其加工方法与流程

本发明涉及钛合金加工，具体是一种用于椎弓根螺钉的tc4钛合金棒材及其加工方法。

背景技术：

1、钛合金作为一种新型金属材料，因其具有低密度、高比强度，良好的生物相容性和较低的弹性模量，近年来被广泛应用于医疗领域，tc4钛合金是目前应用最广泛的一种α+β型钛合金，它含有6%的α稳定元素al和4%的β稳定元素v，具有良好的强塑性匹配，拥有良好的加工性能，被广泛的应用于制药工业、医疗器械、人体植入物等领域。

2、作为脊柱固定系统的u型钉（椎弓根螺钉）一般采用tc4eli钛合金棒材加工，在用于治疗脊柱骨折、腰椎骨折、滑脱，椎管狭窄、畸形矫正等疾病，在复杂手术中发挥着重要作用。传统工艺生产的医用u型钉钛合金棒材存在较大的残余应力，从而导致其在加工成型时发生变形，形成所谓的“缩口”（u型口发生收缩）现象，缩口的尺寸及稳定性是评价u型钉性能的重要指标之一。

3、残余应力是指在没有外部载荷作用的情况下，材料内部所保持的应力状态。金属材料的生产制造和使用过程中都有可能产生残余应力，残余应力对金属材料的性能、加工精度、使用寿命等均有显著影响，因此，如何控制材料生产制造过程中的残余应力对于提高产品质量和性能具有重要意义。

4、医用tc4eli棒材加工成u型钉和连接杆采用紧配合，作为脊柱固定系统植入人体，但由于“缩口”原因导致连接杆无法正确卡入u型槽中以夹紧定位，给临床应用带来不便，影响患者的治疗，因此难题是有效的控制椎弓根螺钉用钛合金棒材内部的残余应力，避免加工过程发生“缩口”现象。

5、目前医疗椎弓根螺钉用钛合金棒材产品能够满足加工u型槽深度在25~35mm左右的椎弓根螺钉。但随着医疗技术的发展及医疗椎弓根螺钉产品的技术升级，一些新型椎弓根螺钉产品u型槽深度已经做到了100mm左右，有的甚至达到了150mm左右，现有钛合金棒材生产技术尚无法满足以上产品的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于椎弓根螺钉的tc4钛合金棒材及其加工方法，在生产过程中减少残余应力的产生，同时将残余应力控制在较低水平，以满足100~150mm的u型槽深度的新型医用椎弓根螺钉产品的需求。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种用于椎弓根螺钉的tc4钛合金棒材，tc4钛合金化学成分按质量分数百分比计，主要成分包含6.07至6.11的al，3.98至4.13的v，0.16至0.19的fe，0.012至0.015的c，0.008至0.009的n，0.105至0.122的o，0.003至0.004的h；余量为ti。

4、上述用于椎弓根螺钉的tc4钛合金棒材中，ti为优质0级海绵钛。

5、本发明还提供一种用于椎弓根螺钉的tc4钛合金棒材的加工方法，采用上述tc4钛合金成分配比，包括如下步骤：

6、步骤一：采用优质预熔中间合金自动混布料；采用真空自耗电弧炉三次反复熔炼形成tc4钛合金铸锭；

7、步骤二：将tc4钛合金铸锭进行三火次换向镦拔，同时采用β锻造与两相区锻造相结合的方式进行锻造，锻造温度为900~1150℃；

8、步骤三：锻造后进行二火次以上的轧制，轧制温度为880~950℃，变形率≥60%；

9、步骤四：轧制后进行热拉拔，热拉拔变形温度为870~920℃，变形量为5%～25%；

10、步骤五：将热拉拔完成的半成品棒材加热到再结晶温度以上进行完全退火，退火温度为700~850℃、退火时间为1~2h；退火后采用炉冷至500℃以下然后空冷；

11、步骤六：通过边加热边矫直的方式进行电加热矫直，矫直后再次回火；

12、步骤七：去应力退火，去应力退火温度为480~700℃并保温2~5h，去应力退火结束后，半成品棒材随炉冷却至150℃以下；

13、步骤八：通过多道次小加工量进行磨削加工，单道次磨削量≤0.15mm。

14、上述方法的步骤二中，所述三火次换向镦拔锻造温度依次为1050~1150℃、1000~1050℃、900~1000℃。

15、上述方法的步骤三中，二火次轧制温度依次为900~950℃、880~930℃。

16、本发明的有益效果是：

17、经验证，采用本发明生产的医疗椎弓根螺钉用钛合金棒材综合性能优良、组织状态稳定、u型缩口指标可以满足150mm的u型槽深度的新型产品的技术要求。且工艺比原有工艺更加简化，生产效率更高，具有良好的工业化生产基础。

18、本发明从钛合金生产加工过程残余应力产生的机理出发，对u型槽深度35mm及150mm（端口）两种典型规格的缩口量控制达到的技术指标：u型槽深度35mm的平均缩口量不大于0.04mm，u型槽深度150mm的平均缩口量不大于0.07mm。

技术特征：

1.一种用于椎弓根螺钉的tc4钛合金棒材，其特征在于，所述tc4钛合金化学成分按质量分数百分比计，主要成分包含6.07至6.11的al，3.98至4.13的v，0.16至0.19的fe，0.012至0.015的c，0.008至0.009的n，0.105至0.122的o，0.003至0.004的h；余量为ti。

2.根据权利要求1所述的用于椎弓根螺钉的tc4钛合金棒材，其特征在于，所述ti为优质0级海绵钛。

3.一种用于椎弓根螺钉的tc4钛合金棒材的加工方法，其特征在于，采用上述权利要求1或2任一权利要求所述的钛合金成分配比，包括如下步骤：

4.如权利要求3所述的用于椎弓根螺钉的tc4钛合金棒材的加工方法，其特征在于，步骤二中，所述三火次换向镦拔锻造温度依次为1050~1150℃、1000~1050℃、900~1000℃。

5.如权利要求3所述的用于椎弓根螺钉的tc4钛合金棒材的加工方法，其特征在于，步骤三中，二火次轧制温度依次为900~950℃、880~930℃。

技术总结本发明涉及一种用于椎弓根螺钉的TC4钛合金棒材及其加工方法，采用优质预熔中间合金自动混布料；采用真空自耗电弧炉三次反复熔炼，铸锭通过多火次换向镦拔，同时结合β锻造与两相区锻造，二火次以上的轧制后进行热拉拔，将热拉拔完成的半成品棒材加热到再结晶温度以上进行完全退火，电加热矫直后再次回火，通过多道次小加工量进行磨削加工而成。采用本发明生产的医疗椎弓根螺钉用钛合金棒材综合性能优良、组织状态稳定、U型缩口指标可以满足150mm的U型槽深度的新型产品的技术要求。技术研发人员：高蕾,李晓峰,赵瑜琳,白美华,马宝宝受保护的技术使用者：西安科恩钛新材料科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/17