[發明專利]一種低彈高強鋁合金變幅桿及其制備方法

有效

• 申請號: 202110583172.6
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113373333B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 李益民;王霄;鄢家杰;趙志剛
• 申請（專利權）人: 湖南瀚德微創醫療科技有限公司
• 主分類號: C22C1/03
• 分類號: C22C1/03;C22C21/10;C22F1/053;C21D9/00;B21C37/04
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 鐘丹

本發明公開了一種低彈高強鋁合金變幅桿及其制備方法，根據設計配方按化學計量比稱量原料，將稱量好的原料依次投入熔煉爐中進行熔煉，并澆注到預熱后的模具中得到鑄錠，經去澆口、銑面等表面處理后，進行均勻化處理，隨后通過塑性加工得到合金棒材，鋸切成短棒置于熱處理爐內進行特殊熱處理，最后機加工得到變幅桿制品。與現有技術相比，采用特定元素合金化結合特殊熱處理技術，具有彈性模量低、強度高、工藝簡單、成本低等優點，能很好的滿足商用需求，很適合于制備鋁合金變幅桿制品。

技術領域

本發明屬于變幅桿制備技術領域，尤其涉及一種低彈高強鋁合金變幅桿及其制備方法。

背景技術

超聲波是指頻率大于20KHz以上的聲波，因其方向性好，穿透力強，已被廣泛應用于超聲刀手術、超聲波霧化、B超檢查、超聲波制藥等諸多醫學領域。相較于傳統手術，超聲刀手術具有切割精度高、創傷范圍小、凝血效果佳、視野更加清晰、手術時間大幅縮短、術后恢復快等優點，給醫生和患者都帶來了巨大好處。

超聲手術刀設備主要由高頻功率源和超聲振動系統兩部分組成。超聲振動系統又包括三個部分：超聲換能器、超聲變幅桿、超聲刀刀頭。其中，超聲換能器是進行能量轉換的器件，它可以將超聲波發生器產生的振蕩電信號轉換成機械振動信號，即把電能轉化成機械能，其輻射面的振動幅度通常只有幾微米，不能超聲外科手術的需求。因此，需在換能器前安裝變幅桿，它通過界面的變化使得超聲能量聚集，進而使負載端面輸出端的振幅放大，故也稱之為超聲聚能器。把變幅桿工作時輸入端與輸出端振幅的比值稱為放大系數，它是變幅桿的重要性能指標。目前，提高變幅桿放大系數的方法主要有新結構設計和新材料開發。材料的彈性模量是其中的關鍵物理性能。從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映。影響彈性模量的因素有化學成分、相組成、晶體結構、殘余應力等。彈性模量越小，說明在相同應力下的材料應變就越大，也就意味著輸出振幅越大。同時，變幅桿材料與需具有強度高、易加工等優點。

現階段，變幅桿的常用材料有鈦合金，鋁合金，合金鋼。鈦合金的彈性模量為110GPa左右，機械性能較好，但加工較困難、成本高；合金鋼如45鋼、4Cr13雖然強度高、耐蝕性好，同時易加工，但彈性模量接近200GPa，振動效果不佳；鋁合金雖然易加工、成本低廉，但彈性模量較大，約為70GPa，且強度不高，均不能很好地滿足高功率高振幅超聲變幅桿的需求。因此，提出一種低彈性模量、高強度、工藝簡單、成本低的超聲變幅桿的制備方法是目前亟需解決的問題。

發明內容

本發明為解決現有技術中存在的不足，提供一種低彈高強鋁合金變幅桿及其制備方法，采用特定元素合金化結合特殊熱處理技術制備出低彈性模量、高強度的鋁合金超聲變幅桿，本發明的制備方法工藝簡單、成本低。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

本發明一種低彈高強鋁合金變幅桿的制備方法，包括以下步驟：

將鋁合金鑄錠均勻化處理、塑性加工獲得鋁合金棒材，再將鋁合金棒材進行固溶處理、深冷處理、時效處理，即得鋁合金變幅桿；

所述鋁合金鑄錠中，含有M元素，所述M元素選自Ca、Y、Zr、Nb、Sr中的至少一種，所述M元素在鋁合金鑄錠中的質量分數為0.5～1.5wt.％。

在本發明中，通過在鋁合金中配入一定量的M元素，所述M元素選自Ca、Y、Zr、Nb、Sr中的至少一種，發明人意外的發現，這些元素能夠改變晶格常數，使鋁晶格發生膨脹，提高原子的間距，由此降低彈性模量。

另外本發明在制得鋁合金棒材后，通過固溶處理、深冷處理、時效處理的熱處理組合機制，進一步提升合金的性能，首先通過固溶處理+深冷處理，通過急熱和急冷產生熱應力來抵消原來的應力場，大幅降低殘余應力，進一步降低材料彈性模量，同時通過固溶處理+深冷處理可使鋁基體獲得比常規的固溶處理更高的飽和度，最大程度的發揮合金的時效強化潛力，再配合時效處理，獲得足夠多的與基體呈半共格狀態的η'相，由此大幅度提高合金的性能。