一种抗菌能力强的医用石墨烯增强钛合金棒材的制备方法

摘要

一种抗菌能力强的医用石墨烯增强钛合金棒材的制备方法，包括以下步骤：锭坯制备‑锻造成型‑热处理‑表面预处理‑‑石墨烯薄膜制备‑表面涂层喷涂等步骤，本发明通过合金成分设计、锻造工艺、热处理、喷涂工艺优化，工艺细化配合，使得医用钛合金棒材的制备过程更加细化，保证了质量，合金力学性能优异，可作为骨、关节及人工牙根等硬组织修复的替代材料。

主权项

一种抗菌能力强的医用石墨烯增强钛合金棒材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)锭坯制备：所述锭坯的化学组成为：锆7‑10％，铁：1.5‑2.5％，铬：0.5‑0.8％，镓：0.5‑0.9％，锡：0.25‑0.75％，铪0.02‑0.07％，钽1‑2％，铝：1‑2％，钒：0.25‑0.45％，硼：0.1‑0.18％，铈：0.12‑0.18％，铌4‑15％，钼：9‑13％，银：0.001‑0.005％，余量为钛；按合金成分质量百分比配料，在高真空电弧加热炉中熔炼，充分搅拌，浇铸成锭坯，将锭坯在真空炉内加Ar气保护进行热处理，将锭坯以200‑250℃/小时升温至920‑940℃，保温6‑10小时，然后以120‑150℃/小时降温到550‑580℃，保温2‑6小时，接着以80‑90℃/小时降温到280‑320℃，保温2‑5小时，继续以50‑65℃/小时降温到180‑190℃，保温2‑5小时，然后随炉冷却到室温；(2)锻造成型表面涂覆：在锭坯表面涂覆一层以氮化硼为主要成分的涂层防止高温加工时氧化并增加润滑；用1000吨油压机将步骤(1)制得的锭坯在900‑1000℃保温1‑2小时，采用自由锻，终锻温度660‑720℃，反复多次后锻成边长为200‑300mm的方坯料；将边长为200‑300mm的方坯料冷却到室温，修磨表面缺陷后的坯料加热到900‑950℃镦粗和拔长变形3‑6次，终锻温度770‑810℃，道次变形量20‑45％，总变形量累计70‑130％；然后锻坯冷却到室温，修磨表面缺陷后，加热到700‑740℃镦粗和拔长锻造3‑6次，道次变形量15‑30％，累计总变形量55‑110％；将镦拔锻造的锻坯冷却到室温，修磨表面缺陷后，再加热到680‑720℃镦粗和拔长锻造2‑3次，道次变形量40‑50％；并在最后一次拔长锻造时倒棱、滚圆；将镦拔锻造的锻坯冷却到室温，修磨表面缺陷后，再加热到相变点以下730‑740℃倒棱、滚圆、拔长锻造到直径为Ф40‑Ф80mm的棒材；(3)热处理将棒材在箱式电阻炉中进行固溶处理，固溶温度为860‑900℃，固溶时间为15‑45min，固溶后进行水淬，然后进行分级时效处理：将水淬后的棒材在真空炉内加Ar气保护加热到450‑480℃，保温2‑3h，然后随炉冷却到280‑310℃，保温3‑4h，接着随炉冷却到180‑220℃，保温5‑6h，然后用水冷却；(4)表面预处理：水洗：将热处理后的钛合金棒材先在温度为90‑100℃的热水中进行清洗，然后用室温的流动冷水进行清洗；喷砂：用压缩空气吹干钛合金棒材，然后吹喷石英砂，去除机加痕迹，增加粗糙度；碱洗：将钛合金棒材浸渍于温度在350‑550℃的碱熔融液中、浸渍时间为30‑60min，所述碱熔融液由重量百分比为70～80％氢氧化钠和20～30％硝酸钠混合组成；酸洗：对棒材表面进行 酸洗处理，浸渍在温度为40‑50℃酸洗液中15‑45min，其中：酸洗液组成为(重量)：采取98％浓硫酸20‑30份，36.5％的HCl 6‑8份，双烷基咪唑啉季铵盐1‑2份，乙二胺1‑3份，水30‑60份；钝化处理：将酸洗后的钛合金棒材浸渍于温度在90～150℃，浓度为150～200g/L的硝酸钠，15‑45g/L的氟化钠的水溶液中，控制溶液中Fe³⁺浓度＜20g/L，浸渍时间为15‑20min；(5)石墨烯薄膜制备：将钛合金棒材放入异丙醇溶液中超声，再用超纯水冲洗，然后缓慢放入30‑60℃的piranha溶液中静置，将静置处理后的钛合金棒材取出再放入新的30‑60℃的piranha溶液中进行二次静置，使钛合金棒材表面羟基化；将羟基化后的钛合金棒材用去离子水清洗后，置入氨基硅烷溶液中；将氧化石墨烯粉末放入蒸馏水中，超声波分散，得到氧化石墨烯胶体，所述氧化石墨烯胶体的浓度为0.1～6mg/ml；然后将钛合金棒材浸入氧化石墨烯胶体中，在密闭容器中持续保持恒温；接着将钛合金棒材浸入氢卤酸和磷酸的混合溶液中，在密闭容器中加热；接着将钛合金棒材用去离子水反复冲洗，直至冲洗后的溶液pH为中性，然后将冲洗后的钛合金棒材进行干燥，得到具有表面石墨烯薄膜的钛合金棒材；(6)表面涂层喷涂：涂层喷涂原料为(重量份)：氧化钛粉：60‑80份，金属银粉：0.1‑1份；硅灰石粉：15‑20份；氧化银粉：0.1‑0.5份；硼化钛粉：2‑4份，氧化镁粉：4‑8份；将上述粉末混合后采用大气等离子体喷涂工艺，喷涂于钛合金棒材上，等离子体喷涂工艺参数为电弧等离子体气体Ar的流量为15‑30标准升/分钟，电弧等离子体气体H₂的流量为15‑20标准升/分钟，粉末载气Ar的流量为0.5‑2.5标准升/分钟，喷涂距离为40‑60mm，送粉速率为5‑10g/min，喷涂电流为450‑600A，喷涂厚度为0.5‑3mm；喷涂后将钛合金棒材在真空炉内加Ar气保护进行热处理，首先，将其加热到550‑650℃，保温1‑2小时，然后随炉冷却到150‑200℃，保温24‑48小时，然后随炉冷却。