本發(fā)明屬于鋯及鋯合金材料制備與加工成型
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體是涉及一種生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠及其制備方法。
背景技術(shù)：
：鋯(zr)和鈦(ti)的理化性質(zhì)相似，擁有優(yōu)異的耐蝕性和生物相容性。通過(guò)在鋯金屬中添加無(wú)毒性合金元素nb使其耐蝕性提高并進(jìn)一步得到強(qiáng)化。其中，最典型的為zr-2.5nb合金，其化學(xué)成分、微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能已納入astm-f2384-05標(biāo)準(zhǔn)中，目前已在硬組織修復(fù)(髖、膝關(guān)節(jié)替代產(chǎn)品)中獲得應(yīng)用。通常，當(dāng)nb的質(zhì)量含量小于6％時(shí)，zr-nb合金主要由馬氏體α′相組成；當(dāng)nb的質(zhì)量含量在6％～20％之間時(shí)，有ω相析出；當(dāng)nb的質(zhì)量含量在9％～24％之間時(shí)，zr-nb合金中的主要組成相為β相。力學(xué)性能方面，含有α′相的低nb含量的zr-nb合金具有高強(qiáng)度、中等延伸率、高彈性模量和低磁化率的特征；含有ω相的中等nb含量的zr-nb合金盡管磁化率很低，但是其室溫塑性很差；含有高nb含量的zr-nb合金主要由β相組成，雖然其中含有少量的ω相，但是仍具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。當(dāng)nb含量的范圍在10％～50％之間時(shí)，合金具有較低的彈性模量(48gpa～65gpa)，與人體自然骨的模量接近，能夠有效減小“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)。另一方面，合金元素nb的熔點(diǎn)(2468℃)與鋯(1852℃)相比較高且密度較大，隨著nb含量的增加，合金熔體的粘度增大，導(dǎo)致在熔煉過(guò)程中合金元素的均勻分布變得異常困難，若原料的混、布料方式和熔煉參數(shù)控制不當(dāng)，必定會(huì)造成鑄錠的化學(xué)成分偏析和高密度夾雜等冶金缺陷。一般，在實(shí)驗(yàn)室里采用真空非自耗電弧熔煉爐(俗稱“鈕扣爐”)制得的鑄錠化學(xué)成分均勻性好，但是體積太小，直徑約5cm，高度約10cm，無(wú)法實(shí)現(xiàn)zr-nb合金產(chǎn)品多品種、小批量的中試規(guī)?；a(chǎn)。然而，隨著zr-nb合金鑄錠尺寸的增加，導(dǎo)致熔煉的難度加大，化學(xué)成分偏析和高密度夾雜出現(xiàn)的概率增加，中規(guī)格合金鑄錠的化學(xué)成分均勻性一般都很難保證。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠及其制備方法。該合金鑄錠中的合金元素zr含量高于傳統(tǒng)的核工程用zr-nb基合金，且本發(fā)明制備得到的合金鑄錠化學(xué)成分均勻性好，不同部位合金元素nb含量的相對(duì)偏差小，雜質(zhì)元素含量低。成品鑄錠經(jīng)相應(yīng)的熱機(jī)械加工處理得到的合金棒材具有良好的綜合力學(xué)性能，在骨科、齒科等外科植入領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：nb10％～50％，o0.05％～0.15％，余量為zr和不可避免的雜質(zhì)。上述的一種生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：nb20％～40％，o0.06～0.13％，余量為zr和不可避免的雜質(zhì)。上述的一種生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：nb29％，o0.09％，余量為zr和不可避免的雜質(zhì)。另外，本發(fā)明還提供了一種制備上述生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一、以原子能級(jí)海綿鋯和高純鈮粉為原料，按照所述zr-nb合金鑄錠的名義成分稱取所述原料，混合均勻后利用油壓機(jī)壓制成自耗電極塊；所述原子能級(jí)海綿鋯的粒度為3mm～5mm，所述高純鈮粉的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟二、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3～4個(gè)步驟一中所述自耗電極塊組焊連接在一起，得到一次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為1ka～4ka，電壓為16v～20v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟三、將步驟二中所述一次自耗電極置于真空自耗電弧爐中，在真空度不大于0.3pa，熔煉電流為2500a～2800a，熔煉電壓為24v～27v，穩(wěn)弧電流為3a～6a的條件下進(jìn)行一次熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠；步驟四、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3～4個(gè)步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對(duì)焊的方式進(jìn)行組焊，得到二次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為2ka～6ka，電壓為18v～22v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟五、將步驟四中所述二次自耗電極置于真空自耗電弧爐中，在真空度不大于0.3pa，熔煉電流為2900a～3500a，熔煉電壓為28v～30v，穩(wěn)弧電流為3a～6a的條件下進(jìn)行二次熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠；步驟六、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3～4個(gè)步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對(duì)焊的方式進(jìn)行組焊，得到三次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為3ka～8ka，電壓18v～22v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟七、將步驟六中所述三次自耗電極置于真空自耗電弧爐中，在真空度不大于0.3pa，熔煉電流為3600a～5000a，熔煉電壓為29v～31v，穩(wěn)弧電流為3a～6a的條件下進(jìn)行三次熔煉，隨爐冷卻后得到成品鑄錠；所述成品鑄錠的橫截面直徑為160mm～450mm。上述的方法，其特征在于，步驟三中所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于1h。上述的方法，其特征在于，步驟五中所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于1.5h。上述的方法，其特征在于，步驟七中所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于2.5h。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明選取原子能級(jí)海綿鋯和高純鈮粉作為原料，采用合適的混料、布料方式和熔煉工藝參數(shù)，利用真空自耗電弧爐熔煉三次制得到nb質(zhì)量百分含量不低于10％的高鈮zr-nb系二元合金鑄錠，其橫截面直徑規(guī)格適中，成品鑄錠的化學(xué)成分均勻性優(yōu)異，其中上-中-下三個(gè)典型部位的nb含量的相對(duì)偏差小，雜質(zhì)元素含量低。2.本發(fā)明制備的zr-nb合金鑄錠屬于生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型合金，zr和nb的生物相容性良好，nb為高熔點(diǎn)、高密度合金元素。隨著合金鑄錠尺寸的增加，容易出現(xiàn)化學(xué)成分偏析，所以選擇原子能級(jí)海綿鋯和高純鈮粉作原料，利用真空自耗電弧熔煉爐熔煉三次，使得zr與nb二者發(fā)生充分互溶，有效避免了高熔點(diǎn)合金元素nb在鑄錠中的偏析，提高了鑄錠的冶金品質(zhì)，保證合金鑄錠的化學(xué)成分均勻性。本發(fā)明制備的中規(guī)格zr-nb合金鑄錠中的合金元素成分相對(duì)偏差的絕對(duì)值不大于2％，很好地符合了zr-nb合金名義成分的要求。3.采用本發(fā)明的方法能夠制備得到橫截面直徑為160mm～450mm的zr-nb合金鑄錠，成功實(shí)現(xiàn)了該系列合金鑄錠的中試生產(chǎn)并為大規(guī)格鑄錠的制備提供了技術(shù)指導(dǎo)。4.對(duì)本發(fā)明所制備得到的zr-nb系合金鑄錠進(jìn)行熱機(jī)械加工處理后，能夠成功獲得強(qiáng)度-塑性匹配度優(yōu)異、橫截面直徑不低于15mm的zr-nb合金棒材，本發(fā)明的方法適合于制備生物醫(yī)用低彈性模量鋯合金用中規(guī)格zr-nb合金鑄錠，該合金鑄錠在硬組織的修復(fù)和替代領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景和潛力。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。附圖說(shuō)明圖1為對(duì)本發(fā)明各實(shí)施例制備的成品鑄錠進(jìn)行化學(xué)成分分析時(shí)的軸向取樣位置示意圖。圖2為對(duì)本發(fā)明各實(shí)施例制備的成品鑄錠進(jìn)行化學(xué)成分分析時(shí)的徑向取樣位置示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的成品鑄錠的低倍組織圖(放大倍數(shù)為1.5)。圖4為圖3中a區(qū)域的高倍組織圖(放大倍數(shù)為200)。圖5為本發(fā)明實(shí)施例1制備的成品棒材軸向的低倍組織圖(放大倍數(shù)為1.5)。圖6為圖5中b區(qū)域的高倍組織圖(放大倍數(shù)為100)。具體實(shí)施方式實(shí)施例1本實(shí)施例生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠由以下質(zhì)量百分比的成分組成：nb10％，o0.05％，余量為zr和不可避免的雜質(zhì)。制備該生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠的方法包括以下步驟：步驟一、以原子能級(jí)海綿鋯和高純鈮粉為原料，按照所述zr-nb合金鑄錠的名義成分稱取所述原料，混合均勻后利用1000t油壓機(jī)壓制成自耗電極塊；所述原子能級(jí)海綿鋯的粒度為3mm～5mm，所述高純鈮粉的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟二、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個(gè)步驟一中所述自耗電極塊組焊連接在一起，得到一次自耗電極；所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟三、將步驟二中所述一次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為105mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.2pa，熔煉電流為2550a，熔煉電壓為25v，穩(wěn)弧電流為3a的條件下進(jìn)行一次熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于1h；步驟四、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個(gè)步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對(duì)焊的方式進(jìn)行組焊，得到二次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為3.1ka，電壓為20v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟五、將步驟四中所述二次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為160mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.2pa，熔煉電流為3000a，熔煉電壓為28v，穩(wěn)弧電流為3a的條件下進(jìn)行二次熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于1.5h；步驟六、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個(gè)步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對(duì)焊的方式進(jìn)行組焊，得到三次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為4.2ka，電壓20v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟七、將步驟六中所述三次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為220mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.2pa，熔煉電流為3700a，熔煉電壓為29v，穩(wěn)弧電流為3a的條件下進(jìn)行三次熔煉，隨爐冷卻后得到橫截面直徑為220mm成品鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于2.5h。按照?qǐng)D1所示軸向取樣示意圖和圖2所示徑向取樣示意圖中的取樣位置對(duì)本實(shí)施例制備的成品鑄錠中軸向和徑向的成分分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果如表1和表2所示。表1實(shí)施例1制備的成品鑄錠軸向成分分布結(jié)果軸向部位(冒口至錠底)nb元素相對(duì)偏差(％)o元素相對(duì)偏差(％)a-0.180.08b-0.070.07c0.120.06表2實(shí)施例1制備的成品鑄錠徑向成分分布結(jié)果從表1和表2中的分析結(jié)果可看出，實(shí)施例1制備的橫截面直徑為220mm的zr-nb鑄錠中合金元素nb在成品鑄錠徑向和軸向的分布均勻，波動(dòng)很小，相對(duì)偏差的絕對(duì)值不大于2％。從圖3和圖4中可以看出，在本實(shí)施例制備的成品鑄錠的低倍組織中，不存在高低密度夾雜、微孔、裂紋等可見(jiàn)物理冶金缺陷，且晶粒尺寸均勻；其高倍組織主要由粗大等軸狀的晶粒構(gòu)成，黑色部分為易腐蝕區(qū)域，未發(fā)現(xiàn)有高熔點(diǎn)合金元素nb的微觀偏析，為后續(xù)進(jìn)行熱、冷壓延加工并得到綜合性能優(yōu)異的加工型材奠定了良好的基礎(chǔ)。將本實(shí)施例制備的成品鑄錠在1100℃條件下開(kāi)坯鍛造，然后在900℃條件下拔長(zhǎng)鍛造得到橫截面尺寸為55mm×55mm的方形半成品棒材，最后在850℃條件下進(jìn)行軋制得到橫截面直徑為17mm的熱軋棒材，經(jīng)扒皮、矯直及磨光的精整工序，獲得橫截面直徑為15mm的成品棒材。將所述成品棒材進(jìn)行退火處理后，獲得強(qiáng)度-塑性匹配度優(yōu)異的zr-nb合金棒材，所述zr-nb合金棒材的室溫綜合力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果為：抗拉強(qiáng)度rm為680mpa，屈服強(qiáng)度rp0.2為630mpa，延伸率a為19％，彈性模量e為62gpa。從圖5中可以看出，本實(shí)施例制備的成品棒材直線度高，表面質(zhì)量好，無(wú)劃傷、裂紋等冶金缺陷。從圖6中可以看出，經(jīng)熱軋大變形后，原始粗大的等軸狀晶粒被充分破碎，晶界完全消失，破碎后的晶粒細(xì)小，呈纖維狀，該微觀組織結(jié)構(gòu)也保證了合金棒材具有良好的強(qiáng)度-塑性匹配度和較低的彈性模量。實(shí)施例2本實(shí)施例生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠由以下質(zhì)量百分比的成分組成：nb20％，o0.06％，余量為zr和不可避免的雜質(zhì)。制備該生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠的方法包括以下步驟：步驟一、以原子能級(jí)海綿鋯和高純鈮粉為原料，按照所述zr-nb合金鑄錠的名義成分稱取所述原料，混合均勻后利用1500t油壓機(jī)壓制成自耗電極塊；所述原子能級(jí)海綿鋯的粒度為3mm～5mm，所述高純鈮粉的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟二、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個(gè)步驟一中所述自耗電極塊組焊連接在一起，得到一次自耗電極；所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟三、將步驟二中所述一次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為120mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.25pa，熔煉電流為2610a，熔煉電壓為26v，穩(wěn)弧電流為4a的條件下進(jìn)行一次熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于1h；步驟四、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個(gè)步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對(duì)焊的方式進(jìn)行組焊，得到二次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為4ka，電壓為19v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟五、將步驟四中所述二次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為180mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.25pa，熔煉電流為3300a，熔煉電壓為29v，穩(wěn)弧電流為5a的條件下進(jìn)行二次熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于1.5h；步驟六、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個(gè)步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對(duì)焊的方式進(jìn)行組焊，得到三次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為4.5ka，電壓21v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟七、將步驟六中所述三次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為260mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.3pa，熔煉電流為3900a，熔煉電壓為30v，穩(wěn)弧電流為5a的條件下進(jìn)行三次熔煉，隨爐冷卻后得到橫截面直徑為260mm成品鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于2.5h。按照?qǐng)D1所示軸向取樣示意圖和圖2所示徑向取樣示意圖中的取樣位置對(duì)本實(shí)施例制備的成品鑄錠中軸向和徑向的成分分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果如表3和表4所示。表3實(shí)施例2制備的成品鑄錠軸向成分分布結(jié)果軸向部位(冒口至錠底)nb元素相對(duì)偏差(％)o元素相對(duì)偏差(％)a-0.150.07b-0.050.08c0.100.07表4實(shí)施例2制備的成品鑄錠徑向成分分布結(jié)果從表3和表4中的分析結(jié)果可看出，實(shí)施例2制備的橫截面直徑為260mm的zr-nb鑄錠中合金元素nb在成品鑄錠徑向和軸向的分布均勻，波動(dòng)很小，相對(duì)偏差的絕對(duì)值不大于2％。本實(shí)施例制備的成品鑄錠的低倍組織中，不存在高低密度夾雜、微孔、裂紋等可見(jiàn)物理冶金缺陷，且晶粒尺寸均勻；其高倍組織主要由粗大等軸狀的晶粒構(gòu)成，無(wú)高熔點(diǎn)合金元素nb的微觀偏析，為后續(xù)進(jìn)行熱、冷壓延加工并得到綜合性能優(yōu)異的加工型材奠定了良好的基礎(chǔ)。將本實(shí)施例制備的成品鑄錠在1000℃條件下開(kāi)坯鍛造，然后在900℃條件下拔長(zhǎng)鍛造得到橫截面尺寸為55mm×55mm的方形半成品棒材，最后在850℃條件下進(jìn)行軋制得到橫截面直徑為17mm的熱軋棒材，經(jīng)扒皮、矯直及磨光的精整工序，獲得橫截面直徑為為15mm的成品棒材。將所述成品棒材進(jìn)行退火處理后，獲得強(qiáng)度-塑性匹配度優(yōu)異的zr-nb合金棒材，所述zr-nb合金棒材的室溫綜合力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果為：抗拉強(qiáng)度rm為675mpa，屈服強(qiáng)度rp0.2為620mpa，延伸率a為19.5％，彈性模量e為60gpa。本實(shí)施例制備的成品棒材直線度高，表面質(zhì)量好，無(wú)劃傷、裂紋等冶金缺陷。經(jīng)熱軋大變形后，成品鑄錠中原始粗大的等軸狀晶粒被充分破碎，晶界完全消失，破碎后的晶粒細(xì)小，呈纖維狀，如此微觀組織結(jié)構(gòu)也保證了合金棒材具有良好的強(qiáng)度-塑性匹配度和較低的彈性模量。實(shí)施例3本實(shí)施例生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠由以下質(zhì)量百分比的成分組成：nb30％，o0.10％，余量為zr和不可避免的雜質(zhì)。制備該生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠的方法包括以下步驟：步驟一、以原子能級(jí)海綿鋯和高純鈮粉為原料，按照所述zr-nb合金鑄錠的名義成分稱取所述原料，混合均勻后利用2000t油壓機(jī)壓制成自耗電極塊；所述原子能級(jí)海綿鋯的粒度為3mm～5mm，所述高純鈮粉的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟二、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將4個(gè)步驟一中所述自耗電極塊組焊連接在一起，得到一次自耗電極；所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟三、將步驟二中所述一次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為150mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.3pa，熔煉電流為2750a，熔煉電壓為25v，穩(wěn)弧電流為5a的條件下進(jìn)行一次熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于1h；步驟四、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將4個(gè)步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對(duì)焊的方式進(jìn)行組焊，得到二次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為4ka，電壓為21v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟五、將步驟四中所述二次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為200mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.3pa，熔煉電流為3100a，熔煉電壓為28v，穩(wěn)弧電流為4a的條件下進(jìn)行二次熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于1.5h；步驟六、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將4個(gè)步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對(duì)焊的方式進(jìn)行組焊，得到三次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為6ka，電壓20v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟七、將步驟六中所述三次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為300mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.3pa，熔煉電流為4100a，熔煉電壓為30v，穩(wěn)弧電流為4a的條件下進(jìn)行三次熔煉，隨爐冷卻后得到橫截面直徑為300mm成品鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于2.5h。按照?qǐng)D1所示軸向取樣示意圖和圖2所示徑向取樣示意圖中的取樣位置對(duì)本實(shí)施例制備的成品鑄錠中軸向和徑向的成分分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果如表5和表6所示。表5實(shí)施例3制備的成品鑄錠軸向成分分布結(jié)果軸向部位(冒口至錠底)nb元素相對(duì)偏差(％)o元素相對(duì)偏差(％)a-0.170.08b-0.060.07c0.140.09表6實(shí)施例3制備的成品鑄錠徑向成分分布結(jié)果從表5和表6中的分析結(jié)果可看出，實(shí)施例3制備的橫截面直徑為300mm的zr-nb鑄錠中合金元素nb在成品鑄錠徑向和軸向的分布均勻，波動(dòng)很小，相對(duì)偏差的絕對(duì)值不大于2％。本實(shí)施例制備的成品鑄錠的低倍組織中，不存在高低密度夾雜、微孔、裂紋等可見(jiàn)物理冶金缺陷，且晶粒尺寸均勻；其高倍組織主要由粗大等軸狀的晶粒構(gòu)成，無(wú)高熔點(diǎn)合金元素nb的微觀偏析，為后續(xù)進(jìn)行熱、冷壓延加工并得到綜合性能優(yōu)異的加工型材奠定了良好的基礎(chǔ)。將本實(shí)施例制備的成品鑄錠在1000℃條件下開(kāi)坯鍛造，然后在900℃條件下拔長(zhǎng)鍛造得到橫截面尺寸為55mm×55mm的方形半成品棒材，最后在850℃條件下進(jìn)行軋制得到橫截面直徑為17mm的熱軋棒材，經(jīng)扒皮、矯直及磨光的精整工序，獲得橫截面直徑為15mm的成品棒材。將所述成品棒材進(jìn)行退火處理后，獲得強(qiáng)度-塑性匹配度優(yōu)異的zr-nb合金棒材，所述zr-nb合金棒材的室溫綜合力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果為：抗拉強(qiáng)度rm為660mpa，屈服強(qiáng)度rp0.2為615mpa，延伸率a為20％，彈性模量e為56gpa。本實(shí)施例制備的成品棒材直線度高，表面質(zhì)量好，無(wú)劃傷、裂紋等冶金缺陷。經(jīng)熱軋大變形后，成品鑄錠中原始粗大的等軸狀晶粒被充分破碎，晶界完全消失，破碎后的晶粒細(xì)小，呈纖維狀，如此微觀組織結(jié)構(gòu)也保證了合金棒材具有良好的強(qiáng)度-塑性匹配度和較低的彈性模量。實(shí)施例4本實(shí)施例生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠由以下質(zhì)量百分比的成分組成：nb40％，o0.13％，余量為zr和不可避免的雜質(zhì)。制備該生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠的方法包括以下步驟：步驟一、以原子能級(jí)海綿鋯和高純鈮粉為原料，按照所述zr-nb合金鑄錠的名義成分稱取所述原料，混合均勻后利用2150t油壓機(jī)壓制成自耗電極塊；所述原子能級(jí)海綿鋯的粒度為3mm～5mm，所述高純鈮粉的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟二、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將4個(gè)步驟一中所述自耗電極塊組焊連接在一起，得到一次自耗電極；所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟三、將步驟二中所述一次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為180mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.3pa，熔煉電流為2780a，熔煉電壓為24v，穩(wěn)弧電流為4a的條件下進(jìn)行一次熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于1h；步驟四、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將4個(gè)步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對(duì)焊的方式進(jìn)行組焊，得到二次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為5ka，電壓為22v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟五、將步驟四中所述二次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為250mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.3pa，熔煉電流為3480a，熔煉電壓為30v，穩(wěn)弧電流為6a的條件下進(jìn)行二次熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于1.5h；步驟六、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將4個(gè)步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對(duì)焊的方式進(jìn)行組焊，得到三次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為8ka，電壓22v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟七、將步驟六中所述三次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為400mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.3pa，熔煉電流為4450a，熔煉電壓為31v，穩(wěn)弧電流為6a的條件下進(jìn)行三次熔煉，隨爐冷卻后得到橫截面直徑為400mm成品鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于2.5h。按照?qǐng)D1所示軸向取樣示意圖和圖2所示徑向取樣示意圖中的取樣位置對(duì)本實(shí)施例制備的成品鑄錠中軸向和徑向的成分分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果如表7和表8所示。表7實(shí)施例4制備的成品鑄錠軸向成分分布結(jié)果軸向部位(冒口至錠底)nb元素相對(duì)偏差(％)o元素相對(duì)偏差(％)a-0.180.10b-0.090.09c0.110.10表8實(shí)施例4制備的成品鑄錠徑向成分分布結(jié)果從表7和表8中的分析結(jié)果可看出，實(shí)施例4制備的橫截面直徑為400mm的zr-nb鑄錠中合金元素nb在成品鑄錠徑向和軸向的分布均勻，波動(dòng)很小，相對(duì)偏差的絕對(duì)值不大于2％。本實(shí)施例制備的成品鑄錠的低倍組織中，不存在高低密度夾雜、微孔、裂紋等可見(jiàn)物理冶金缺陷，且晶粒尺寸均勻；其高倍組織主要由粗大等軸狀的晶粒構(gòu)成，無(wú)高熔點(diǎn)合金元素nb的微觀偏析，為后續(xù)進(jìn)行熱、冷壓延加工并得到綜合性能優(yōu)異的加工型材奠定了良好的基礎(chǔ)。將本實(shí)施例制備的成品鑄錠在1000℃條件下開(kāi)坯鍛造，然后在900℃條件下拔長(zhǎng)鍛造得到橫截面尺寸為55mm×55mm的方形半成品棒材，最后在850℃條件下進(jìn)行軋制得到橫截面直徑為17mm的熱軋棒材，經(jīng)扒皮、矯直及磨光的精整工序，獲得橫截面直徑為15mm的成品棒材。將所述成品棒材進(jìn)行退火處理后，獲得強(qiáng)度-塑性匹配度優(yōu)異的zr-nb合金棒材，所述zr-nb合金棒材的室溫綜合力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果為：抗拉強(qiáng)度rm為656mpa，屈服強(qiáng)度rp0.2為612mpa，延伸率a為20.5％，彈性模量e為45gpa。本實(shí)施例制備的成品棒材直線度高，表面質(zhì)量好，無(wú)劃傷、裂紋等冶金缺陷。經(jīng)熱軋大變形后，成品鑄錠中原始粗大的等軸狀晶粒被充分破碎，晶界完全消失，破碎后的晶粒細(xì)小，呈纖維狀，如此微觀組織結(jié)構(gòu)也保證了合金棒材具有良好的強(qiáng)度-塑性匹配度和較低的彈性模量。實(shí)施例5本實(shí)施例生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠由以下質(zhì)量百分比的成分組成：nb50％，o0.15％，余量為zr和不可避免的雜質(zhì)。制備該生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠的方法包括以下步驟：步驟一、以原子能級(jí)海綿鋯和高純鈮粉為原料，按照所述zr-nb合金鑄錠的名義成分稱取所述原料，混合均勻后利用2500t油壓機(jī)壓制成自耗電極塊；所述原子能級(jí)海綿鋯的粒度為3mm～5mm，所述高純鈮粉的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟二、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個(gè)步驟一中所述自耗電極塊組焊連接在一起，得到一次自耗電極；所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟三、將步驟二中所述一次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為180mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.3pa，熔煉電流為2800a，熔煉電壓為27v，穩(wěn)弧電流為6a的條件下進(jìn)行一次熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于1h；步驟四、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個(gè)步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對(duì)焊的方式進(jìn)行組焊，得到二次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為6ka，電壓為22v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟五、將步驟四中所述二次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為250mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.3pa，熔煉電流為3500a，熔煉電壓為30v，穩(wěn)弧電流為6a的條件下進(jìn)行二次熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于1.5h；步驟六、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個(gè)步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對(duì)焊的方式進(jìn)行組焊，得到三次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為8ka，電壓22v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟七、將步驟六中所述三次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為450mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.3pa，熔煉電流為5000a，熔煉電壓為30v，穩(wěn)弧電流為5a的條件下進(jìn)行三次熔煉，隨爐冷卻后得到橫截面直徑為450mm成品鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于2.5h。按照?qǐng)D1所示軸向取樣示意圖和圖2所示徑向取樣示意圖中的取樣位置對(duì)本實(shí)施例制備的成品鑄錠中軸向和徑向的成分分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果如表9和表10所示。表9實(shí)施例5制備的成品鑄錠軸向成分分布結(jié)果表10實(shí)施例5制備的成品鑄錠徑向成分分布結(jié)果從表9和表10中的分析結(jié)果可看出，實(shí)施例5制備的橫截面直徑為450mm的zr-nb鑄錠中合金元素nb在成品鑄錠徑向和軸向的分布均勻，波動(dòng)很小，相對(duì)偏差的絕對(duì)值不大于2％。本實(shí)施例制備的成品鑄錠的低倍組織中，不存在高低密度夾雜、微孔、裂紋等可見(jiàn)物理冶金缺陷，且晶粒尺寸均勻；其高倍組織主要由粗大等軸狀的晶粒構(gòu)成，無(wú)高熔點(diǎn)合金元素nb的微觀偏析，為后續(xù)進(jìn)行熱、冷壓延加工并得到綜合性能優(yōu)異的加工型材奠定了良好的基礎(chǔ)。將本實(shí)施例制備的成品鑄錠在1000℃條件下開(kāi)坯鍛造，然后在900℃條件下拔長(zhǎng)鍛造得到橫截面尺寸為55mm×55mm的方形半成品棒材，最后在850℃條件下進(jìn)行軋制得到橫截面直徑為17mm的熱軋棒材，經(jīng)扒皮、矯直及磨光的精整工序，獲得橫截面直徑為15mm的成品棒材。將所述成品棒材進(jìn)行退火處理后，獲得強(qiáng)度-塑性匹配度優(yōu)異的zr-nb合金棒材，所述zr-nb合金棒材的室溫綜合力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果為：抗拉強(qiáng)度rm為658mpa，屈服強(qiáng)度rp0.2為625mpa，延伸率a為20.5％，彈性模量e為46gpa。本實(shí)施例制備的成品棒材直線度高，表面質(zhì)量好，無(wú)劃傷、裂紋等冶金缺陷。經(jīng)熱軋大變形后，成品鑄錠中原始粗大的等軸狀晶粒被充分破碎，晶界完全消失，破碎后的晶粒細(xì)小，呈纖維狀，如此微觀組織結(jié)構(gòu)也保證了合金棒材具有良好的強(qiáng)度-塑性匹配度和較低的彈性模量。實(shí)施例6本實(shí)施例生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠由以下質(zhì)量百分比的成分組成：nb29％，o0.09％，余量為zr和不可避免的雜質(zhì)。制備該生物醫(yī)用亞穩(wěn)定β型zr-nb合金鑄錠的方法包括以下步驟：步驟一、以原子能級(jí)海綿鋯和高純鈮粉為原料，按照所述zr-nb合金鑄錠的名義成分稱取所述原料，混合均勻后利用1000t油壓機(jī)壓制成自耗電極塊；所述原子能級(jí)海綿鋯的粒度為3mm～5mm，所述高純鈮粉的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟二、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個(gè)步驟一中所述自耗電極塊組焊連接在一起，得到一次自耗電極；所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟三、將步驟二中所述一次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為90mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.2pa，熔煉電流為2500a，熔煉電壓為24v，穩(wěn)弧電流為4a的條件下進(jìn)行一次熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于1h；步驟四、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個(gè)步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對(duì)焊的方式進(jìn)行組焊，得到二次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為3ka，電壓為18v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟五、將步驟四中所述二次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為120mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.2pa，熔煉電流為2900a，熔煉電壓為28v，穩(wěn)弧電流為4a的條件下進(jìn)行二次熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于1.5h；步驟六、在高純氬氣的保護(hù)氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個(gè)步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對(duì)焊的方式進(jìn)行組焊，得到三次自耗電極；所述等離子弧焊的電流為3ka，電壓18v，所述高純氬氣的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟七、將步驟六中所述三次自耗電極置于真空自耗電弧爐中直徑為強(qiáng)160mm的水冷銅坩堝內(nèi)，在真空度為0.2pa，熔煉電流為3600a，熔煉電壓為29v，穩(wěn)弧電流為3a的條件下進(jìn)行三次熔煉，隨爐冷卻后得到橫截面直徑為160mm成品鑄錠；所述隨爐冷卻的時(shí)間不低于2.5h。按照?qǐng)D1所示軸向取樣示意圖和圖2所示徑向取樣示意圖中的取樣位置對(duì)本實(shí)施例制備的成品鑄錠中軸向和徑向的成分分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果如表11和表12所示。表11實(shí)施例6制備的成品鑄錠軸向成分分布結(jié)果軸向部位(冒口至錠底)nb元素相對(duì)偏差(％)o元素相對(duì)偏差(％)a-0.170.09b-0.060.08c0.090.06表12實(shí)施例6制備的成品鑄錠徑向成分分布結(jié)果從表11和表12中的分析結(jié)果可看出，實(shí)施例6制備的橫截面直徑為160mm的zr-nb鑄錠中合金元素nb在成品鑄錠徑向和軸向的分布均勻，波動(dòng)很小，相對(duì)偏差的絕對(duì)值不大于2％。本實(shí)施例制備的成品鑄錠的低倍組織中，不存在高低密度夾雜、微孔、裂紋等可見(jiàn)物理冶金缺陷，且晶粒尺寸均勻；其高倍組織主要由粗大等軸狀的晶粒構(gòu)成，無(wú)高熔點(diǎn)合金元素nb的微觀偏析，為后續(xù)進(jìn)行熱、冷壓延加工并得到綜合性能優(yōu)異的加工型材奠定了良好的基礎(chǔ)。將本實(shí)施例制備的成品鑄錠在1000℃條件下開(kāi)坯鍛造，然后在900℃條件下拔長(zhǎng)鍛造得到橫截面尺寸為55mm×55mm的方形半成品棒材，最后在850℃條件下進(jìn)行軋制得到橫截面直徑為17mm的熱軋棒材，經(jīng)扒皮、矯直及磨光的精整工序，獲得橫截面直徑為15mm的成品棒材。將所述成品棒材進(jìn)行退火處理后，獲得強(qiáng)度-塑性匹配度優(yōu)異的zr-nb合金棒材，所述zr-nb合金棒材的室溫綜合力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果為：抗拉強(qiáng)度rm為673mpa，屈服強(qiáng)度rp0.2為628mpa，延伸率a為20％，彈性模量e為60gpa。本實(shí)施例制備的成品棒材直線度高，表面質(zhì)量好，無(wú)劃傷、裂紋等冶金缺陷。經(jīng)熱軋大變形后，成品鑄錠中原始粗大的等軸狀晶粒被充分破碎，晶界完全消失，破碎后的晶粒細(xì)小，呈纖維狀，如此微觀組織結(jié)構(gòu)也保證了合金棒材具有良好的強(qiáng)度-塑性匹配度和較低的彈性模量。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制。凡是根據(jù)發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12