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。通過在鋯金屬中添加無毒性合金元素nb使其耐蝕性提高并進一步得到強化。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標準中，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，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，有ω相析出；當(dāng)nb的質(zhì)量含量在9％～24％之間時，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，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(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，在實驗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，無法實現(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)實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(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含量的相對偏差小，雜質(zhì)元素含量低。成品鑄錠經(jīng)相應(yīng)的熱機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壓制成自耗電極塊；所述原子能級海綿鋯的粒度為3mm～5mm，所述高純鈮粉的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟二、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3～4個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、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3～4個步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進行組焊，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、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3～4個步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進行組焊，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：1、本發(fā)明選取原子能級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-下三個典型部位的nb含量的相對偏差小，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、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偏差的絕對值不大于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.對本發(fā)明所制備得到的zr-nb系合金鑄錠進行熱機械加工處理后，能夠成功獲得強度-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)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。附圖說明圖1為對本發(fā)明各實施例制備的成品鑄錠進行化學(xué)成分分析時的軸向取樣位置示意圖。圖2為對本發(fā)明各實施例制備的成品鑄錠進行化學(xué)成分分析時的徑向取樣位置示意圖。圖3為本發(fā)明實施例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)。具體實施方式實施例1本實施例生物醫(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油壓機壓制成自耗電極塊；所述原子能級海綿鋯的粒度為3mm～5mm，所述高純鈮粉的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟二、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個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的條件下進行一次熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠；所述隨爐冷卻的時間不低于1h；步驟四、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進行組焊，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的條件下進行二次熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠；所述隨爐冷卻的時間不低于1.5h；步驟六、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進行組焊，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；所述隨爐冷卻的時間不低于2.5h。按照圖1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本實施例制備的成品鑄錠中軸向和徑向的成分分布情況進行分析，結(jié)果如表1和表2所示。表1實施例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元素相對偏差(％)o元素相對偏差(％)a-0.180.08b-0.070.07c0.120.06表2實施例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，波動很小，相對偏差的絕對值不大于2％。從圖3和圖4中可以看出，在本實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)有高熔點合金元素nb的微觀偏析，為后續(xù)進行熱、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)。將本實施例制備的成品鑄錠在1100℃條件下開坯鍛造，然后在900℃條件下拔長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。將所述成品棒材進行退火處理后，獲得強度-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)性能測試結(jié)果為：抗拉強度rm為680mpa，屈服強度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，本實施例制備的成品棒材直線度高，表面質(zhì)量好，無劃傷、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度-塑性匹配度和較低的彈性模量。實施例2本實施例生物醫(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油壓機壓制成自耗電極塊；所述原子能級海綿鋯的粒度為3mm～5mm，所述高純鈮粉的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟二、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個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的條件下進行一次熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠；所述隨爐冷卻的時間不低于1h；步驟四、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進行組焊，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的條件下進行二次熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠；所述隨爐冷卻的時間不低于1.5h；步驟六、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進行組焊，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；所述隨爐冷卻的時間不低于2.5h。按照圖1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本實施例制備的成品鑄錠中軸向和徑向的成分分布情況進行分析，結(jié)果如表3和表4所示。表3實施例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元素相對偏差(％)o元素相對偏差(％)a-0.150.07b-0.050.08c0.100.07表4實施例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，波動很小，相對偏差的絕對值不大于2％。本實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，無高熔點合金元素nb的微觀偏析，為后續(xù)進行熱、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)。將本實施例制備的成品鑄錠在1000℃條件下開坯鍛造，然后在900℃條件下拔長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。將所述成品棒材進行退火處理后，獲得強度-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)性能測試結(jié)果為：抗拉強度rm為675mpa，屈服強度rp0.2為620mpa，延伸率a為19.5％，彈性模量e為60gpa。本實施例制備的成品棒材直線度高，表面質(zhì)量好，無劃傷、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度-塑性匹配度和較低的彈性模量。實施例3本實施例生物醫(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油壓機壓制成自耗電極塊；所述原子能級海綿鋯的粒度為3mm～5mm，所述高純鈮粉的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟二、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將4個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的條件下進行一次熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠；所述隨爐冷卻的時間不低于1h；步驟四、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將4個步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進行組焊，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的條件下進行二次熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠；所述隨爐冷卻的時間不低于1.5h；步驟六、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將4個步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進行組焊，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；所述隨爐冷卻的時間不低于2.5h。按照圖1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本實施例制備的成品鑄錠中軸向和徑向的成分分布情況進行分析，結(jié)果如表5和表6所示。表5實施例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元素相對偏差(％)o元素相對偏差(％)a-0.170.08b-0.060.07c0.140.09表6實施例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，波動很小，相對偏差的絕對值不大于2％。本實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，無高熔點合金元素nb的微觀偏析，為后續(xù)進行熱、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)。將本實施例制備的成品鑄錠在1000℃條件下開坯鍛造，然后在900℃條件下拔長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。將所述成品棒材進行退火處理后，獲得強度-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)性能測試結(jié)果為：抗拉強度rm為660mpa，屈服強度rp0.2為615mpa，延伸率a為20％，彈性模量e為56gpa。本實施例制備的成品棒材直線度高，表面質(zhì)量好，無劃傷、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度-塑性匹配度和較低的彈性模量。實施例4本實施例生物醫(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油壓機壓制成自耗電極塊；所述原子能級海綿鋯的粒度為3mm～5mm，所述高純鈮粉的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟二、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將4個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的條件下進行一次熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠；所述隨爐冷卻的時間不低于1h；步驟四、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將4個步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進行組焊，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的條件下進行二次熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠；所述隨爐冷卻的時間不低于1.5h；步驟六、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將4個步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進行組焊，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；所述隨爐冷卻的時間不低于2.5h。按照圖1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本實施例制備的成品鑄錠中軸向和徑向的成分分布情況進行分析，結(jié)果如表7和表8所示。表7實施例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元素相對偏差(％)o元素相對偏差(％)a-0.180.10b-0.090.09c0.110.10表8實施例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，波動很小，相對偏差的絕對值不大于2％。本實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，無高熔點合金元素nb的微觀偏析，為后續(xù)進行熱、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)。將本實施例制備的成品鑄錠在1000℃條件下開坯鍛造，然后在900℃條件下拔長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。將所述成品棒材進行退火處理后，獲得強度-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)性能測試結(jié)果為：抗拉強度rm為656mpa，屈服強度rp0.2為612mpa，延伸率a為20.5％，彈性模量e為45gpa。本實施例制備的成品棒材直線度高，表面質(zhì)量好，無劃傷、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度-塑性匹配度和較低的彈性模量。實施例5本實施例生物醫(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油壓機壓制成自耗電極塊；所述原子能級海綿鋯的粒度為3mm～5mm，所述高純鈮粉的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟二、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個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的條件下進行一次熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠；所述隨爐冷卻的時間不低于1h；步驟四、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進行組焊，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的條件下進行二次熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠；所述隨爐冷卻的時間不低于1.5h；步驟六、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進行組焊，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；所述隨爐冷卻的時間不低于2.5h。按照圖1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本實施例制備的成品鑄錠中軸向和徑向的成分分布情況進行分析，結(jié)果如表9和表10所示。表9實施例5制備的成品鑄錠軸向成分分布結(jié)果表10實施例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，波動很小，相對偏差的絕對值不大于2％。本實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，無高熔點合金元素nb的微觀偏析，為后續(xù)進行熱、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)。將本實施例制備的成品鑄錠在1000℃條件下開坯鍛造，然后在900℃條件下拔長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。將所述成品棒材進行退火處理后，獲得強度-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)性能測試結(jié)果為：抗拉強度rm為658mpa，屈服強度rp0.2為625mpa，延伸率a為20.5％，彈性模量e為46gpa。本實施例制備的成品棒材直線度高，表面質(zhì)量好，無劃傷、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度-塑性匹配度和較低的彈性模量。實施例6本實施例生物醫(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油壓機壓制成自耗電極塊；所述原子能級海綿鋯的粒度為3mm～5mm，所述高純鈮粉的質(zhì)量純度不低于99.999％；步驟二、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個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的條件下進行一次熔煉，隨爐冷卻后得到一次鑄錠；所述隨爐冷卻的時間不低于1h；步驟四、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個步驟三中所述一次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進行組焊，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的條件下進行二次熔煉，隨爐冷卻后得到二次鑄錠；所述隨爐冷卻的時間不低于1.5h；步驟六、在高純氬氣的保護氣氛下，采用等離子弧焊的方式將3個步驟五中所述二次鑄錠按照冒口與錠底對焊的方式進行組焊，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；所述隨爐冷卻的時間不低于2.5h。按照圖1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本實施例制備的成品鑄錠中軸向和徑向的成分分布情況進行分析，結(jié)果如表11和表12所示。表11實施例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元素相對偏差(％)o元素相對偏差(％)a-0.170.09b-0.060.08c0.090.06表12實施例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，波動很小，相對偏差的絕對值不大于2％。本實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，無高熔點合金元素nb的微觀偏析，為后續(xù)進行熱、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)。將本實施例制備的成品鑄錠在1000℃條件下開坯鍛造，然后在900℃條件下拔長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。將所述成品棒材進行退火處理后，獲得強度-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)性能測試結(jié)果為：抗拉強度rm為673mpa，屈服強度rp0.2為628mpa，延伸率a為20％，彈性模量e為60gpa。本實施例制備的成品棒材直線度高，表面質(zhì)量好，無劃傷、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)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制。凡是根據(jù)發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁12