一种适用于锆铌合金人工关节假体的熔炼浇注方法与流程

本发明属于金属材料人工关节假体熔模铸造，具体涉及一种锆铌合金人工关节假体的熔炼浇注方法。

背景技术：

1、人工关节置换术可有效缓解髋膝关节终末期病患的疼痛，恢复其功能，已成为治疗中老年关节病变的主要方法；钴铬钼金属材料具有较好的强韧性和良好的加工性能，是应用最广泛的一种，常用来制造承受较大载荷和结构复杂的人工关节，但经临床验证钴铬钼合金假体对聚乙烯内衬存在磨损产生的颗粒易导致骨溶解问题，影响假体的稳定性及使用寿命，关节磨损产生钴离子进入人体容易引起钴中毒。

2、锆铌合金人工关节，是以锆为基加入铌元素形成的难熔金属合金制造而成的人工关节，俗称黑晶关节。锆铌合金关节基体拥有金属材料的优异综合力学性能，弹性模量与人体骨骼更接近，锆铌合金表面氧化后有致密陶瓷层，使金属本体与陶瓷表面形成一体，使其拥有金属的优异综合力学性能和陶瓷的光滑度及抗磨损能力。不仅如此，锆铌合金关节假体还兼有理想的生物相容性与低致敏性，无细胞毒性等优点，所以锆铌合金人工关节被认为是最理想的人工膝关节和髋关节假体。但锆铌合金人工关节的制造方式往往是锻造以及机加工，而锆铌合金机加工性能较差，针对局域复杂曲面结构的膝关节、髋关节等假体，存在机加工的生产成本高，不易加工等制造难点。

3、熔模铸造又称之为精密铸造，所制备的铸件精度高和表面粗糙度低，可以批量低成本铸造出形状较复杂的关节铸件，是锆铌合金关节假体制造的理想工艺。然而，由于锆铌合金熔炼温度超过2400℃，熔化态下极其活泼，不仅与n、h、o等反应强烈，而且容易与坩埚耐火材料发生反应，引入夹杂。因此，与钢、铁、高温合金相比，必须隔离金属液与坩埚接触，并实现超高温熔化，其熔炼难度更高，采用传统的真空感应熔化+陶瓷坩埚方案无法满足熔炼浇注要求。

技术实现思路

1、针对锆铌合金超高温熔化、熔体活泼，易氧化，纯净度要求高，传统的真空感应熔化+陶瓷坩埚方案无法满足熔炼浇注要求等技术难点，本发明的目的是提出了一种新型的适用于锆铌合金人工关节精密铸造的真空悬浮熔炼浇注方法，该方法是在真空感应熔炼的基础上使用分瓣式水冷铜坩埚使金属熔化悬浮在坩埚中再通过倾转坩埚将金属液注入模壳中的熔炼浇注技术，操作过程中无气体杂质污染、无坩埚杂质污染、熔炼温度高、均匀性好、生产效率高，非常适合锆铌合金的熔炼浇注。

2、本发明是通过以下技术方案实现的。

3、本发明所述的一种锆铌合金人工关节假体的熔炼浇注方法：采用真空悬浮熔炼进行熔炼浇注，悬浮熔炼的示意图如图1所示；为了制备成分均匀的高品质合金锭，需要先将结晶锆块和铌粉按比例配制好，使用真空悬浮熔炼炉进行两次熔炼，得到成分均匀的合金锭；同时为避免来自坩埚的污染，采用水冷却的铜坩埚熔炼合金，两次熔炼的目的分别是：一次熔炼使铸锭初步合金化、均匀化及去除挥发性物质和气体；二次熔炼后获得成分分布均匀、表面质量好的合金锭；将合金锭继续熔化倒入模壳内完成熔炼浇注过程，得到锆铌合金人工关节假体铸件，铸件实物图如图2所示。

4、本发明所述的一种锆铌合金人工关节假体的熔炼浇注方法，包括以下步骤。

5、步骤（1）模壳预热：将脱蜡完成后的模壳先进行局部区域包棉隔热处理，在包棉完成后用吹枪对模壳内部进行吹气清理，清理完成后将模壳放入预热炉中进行预热，温度为1000±30℃，保温时间为2-4h。

6、步骤（2）锆铌合金制备：首先根据产品模型以及最终的组树方案来确定整个铸件的浇注重量，再按铌占总重量1.0%-10%的比例计算好结晶锆的重量和铌粉的重量，先称重50%的结晶锆块放入水冷铜坩埚中，进行抽真空处理，使真空度≤10-3pa后关闭充气阀，立刻打开加热电源，起弧设置为60kw，然后开始加热熔化合金，稳弧为200kw-300kw，保持稳弧加热3-10min后随炉冷却至室温得到铸锭，然后将铸锭翻转再次放入坩埚中，再将铌粉以及剩下的50%结晶锆块同时放在铸锭上使用上述相同的熔炼参数熔炼工艺继续熔炼成组织均匀性好的铸锭，最后将铸锭翻转后再次使用上述相同的熔炼参数熔炼工艺继续熔炼得到组织均匀性好的的锆铌合金铸锭。

7、步骤（3）熔炼浇注：将熔炼好的铸锭放入水冷铜坩埚中，将模壳从预热炉中快速转移至炉内，然后关闭炉门保持炉内密封性，将真空泵打开进行抽真空，先用真空泵进行粗抽，然后用分子泵继续抽真空，使真空度≤10-3pa；当真空度≤10-3pa达到要求后，关闭充气阀，或者往炉内通入少量的氩气使炉内的压力达到-50kpa后关闭充气阀，立刻打开感应加热电源，起弧设置为60kw，然后开始加热熔化合金，将合金全部熔化后的功率设置为稳弧200kw-300kw，保持稳弧加热3-10min，温度范围达到≥2400℃，当观察到锆铌合金一直处于悬浮状态后立即进行浇注操作，倾倒水冷铜坩埚，将坩埚中的合金液倒入预热好的模壳中，然后冷却3min后进行破真空处理，最后将设备关闭随炉冷却至室温。

8、步骤（4）后处理：将模壳从炉内取出后先进行清壳，再进行切割、打磨、抛光处理得到锆铌合金人工关节假体铸件。

9、本发明制备的锆铌合金关节中铌的含量为总质量的1.0%-10%，优选铌的含量为总质量的2.4%-2.8%，其余为结晶锆。

10、本发明与现有技术相比，具有以下技术效果。

11、本发明采用悬浮熔炼浇注技术，具备熔炼温度超2400℃、不易氧化、合金纯净烧损小、成分均匀准确以及生产成本低的特点。通过对真空悬浮熔炼工艺参数以及浇注方法的研究，实现了锆铌合金难熔金属的熔化，有效避免了锆铌合金熔体的污染，保证了熔体的纯净度，制备的锆铌合金关节铸件表面状态光滑，内部组织致密，均匀性好，无杂质污染。

12、（2）本发明采用熔模铸造以及真空悬浮熔炼浇注出的锆铌合金人工关节铸件，改变了锆铌合金人工关节的传统制造方式，增加了熔模铸造制备人工关节植入物的材料种类，验证了真空悬浮熔炼技术熔炼锆铌合金的可行性，促进了熔模铸造的锆铌合金人工关节假体走向量产化、市场化和全球化。

技术特征：

1.一种锆铌合金人工关节假体的熔炼浇注方法，其特征是包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种锆铌合金人工关节假体的熔炼浇注方法，其特征是所述的结晶锆块为99.95%核级结晶锆，铌粉为99.95%高纯铌粉。

3.根据权利要求1所述的一种锆铌合金人工关节假体的熔炼浇注方法，其特征是锆铌合金关节中铌的含量为总质量的1.0%-10%。

4.根据权利要求3所述的一种锆铌合金人工关节假体的熔炼浇注方法，其特征是优选铌的含量为总质量的2.4%-2.8%，余为结晶锆。

技术总结
一种适用于锆铌合金人工关节假体的熔炼浇注方法，首先将脱蜡后的模壳局部区域进行包棉处理再进行预热，我们采用真空悬浮熔炼炉将结晶锆块放入水冷铜坩埚中熔化为锭，然后再按成分要求将高纯铌粉加入坩埚中继续熔化为锆铌合金锭，最后将锆铌合金锭再次放入坩埚中继续熔炼浇注；将模壳放在底部，然后将熔化好的金属液通过倾转注入模壳内完成熔炼浇注全过程。本发明通过采用水冷铜坩埚来代替普通陶瓷坩埚，控制熔炼设备参数使坩埚中的金属液悬浮起来再进行浇注操作，制备出锆铌合金人工关节铸件；炉内高真空度解决了熔炼浇注过程中锆铌合金容易与N、H、O等发生反应的缺点，水冷铜坩埚解决了金属液容易与坩埚耐火材料发生反应的问题。

技术研发人员：李佳伟,凌李石保,柴敏枝
受保护的技术使用者：江西磊熠生物新材料有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23