一种用于医疗的高强度金属板处理工艺的制作方法

本发明涉及金属板处理，具体为一种用于医疗的高强度金属板处理工艺。

背景技术：

1、一种用于医疗的高强度金属板处理工艺属于医用材料加工技术领域，主要用于加工制造医疗器械和医疗植入物的金属基材。传统的医用金属板材处理工艺通常采用室温环境下的双辊对称轧制技术，并结合常规的电加热炉退火或整体热处理设备，通过控制板材的宏观压下量和常温矫直动作，来调整医用金属板材的力学结构状态和宏观平整度。

2、然而，传统的医用金属板材处理工艺在室温轧制过程中材料的形变抗力高，且轧制变形生热容易诱发材料内部发生动态回复，导致位错运动能力增强并发生快速位错湮灭，晶粒细化程度局限在微米量级，无法实现超细晶组织的演变。这种情况导致最终制备出的医用金属板材在抗拉强度和微观硬度等有力学支撑要求的指标上处于较低水平，无法满足现代高载荷医疗植入环境对金属板材高强韧性的要求。

技术实现思路

1、解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于医疗的高强度金属板处理工艺，解决了传统医用金属板材处理工艺因形变抗力高且存在形变热回复，导致晶粒细化不足，金属板材的抗拉强度和微观硬度低的问题。

3、技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

5、一种用于医疗的高强度金属板处理工艺，包括以下步骤：

6、步骤一：对医用金属板材执行双面抛光动作以使其表面粗糙度ra小于0.05微米；随后将所述医用金属板材送入真空炉内，控制腔内温度为250℃-300℃并进行加热退火；

7、步骤二：将所述医用金属板材浸入流动液氮中进行深冷浸润；随后送入双辊轧机的两中空工作轧辊之间，控制两所述中空工作轧辊之间的表面线速度比值为1.25倍-1.40倍，同时输入机械振动，对所述医用金属板材进行多道次轧制挤压，控制单道次压下率为25%-35%；

8、步骤三：以1.0m/s的速度运送轧制后的所述医用金属板材连续通过电磁感应加热线圈，控制所述电磁感应加热线圈的输出功率使所述医用金属板材的加热速率大于350℃/s；随后向所述医用金属板材表面喷射压力为0.6mpa的气雾实施淬冷；

9、步骤四：调配分散有纳米颗粒的无菌生理盐水悬浮液作为工作介质；控制所述无菌生理盐水悬浮液在120mpa-160mpa的压力下通过文丘里喷嘴向所述医用金属板材表面进行高压冲刷，利用局部低压空化剪切力进行物理剥蚀，在所述医用金属板材表面形成多孔织构；

10、步骤五：将表面具有多孔织构的所述医用金属板材置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内并施加150v-300v的直流偏压，控制腔内温度为350℃-380℃，通入反应气体在所述多孔织构表面反应形成氮氧化物阻挡层；

11、步骤六：将所述医用金属板材置于深冷箱内进行深冷保温；随后控制所述深冷箱以2℃/min的温升速率回升至室温。

12、优选的，在所述步骤一中，通过控制级联的分子泵和机械泵对所述真空炉进行抽真空，保持所述真空炉内部的真空度小于0.001pa，并控制所述加热退火的时长为2h；对所述医用金属板材执行双面抛光动作时，在表面粘接有聚氨酯抛光垫的旋转抛光盘上通过抛光液滴加管以恒定流量向所述聚氨酯抛光垫滴加二氧化硅溶胶抛光液，控制所述旋转抛光盘的转速与所述医用金属板材的自转驱动头转速之比为1.1倍-1.3倍，并通过调节所述自转驱动头施加的垂直向下压力，控制所述医用金属板材与所述聚氨酯抛光垫之间的接触压力为25kpa-40kpa；通过设置在腔室内部中心的铂铑热电偶采集内部温度信号，控制所述真空炉腔内限定区域的温差小于3℃。

13、优选的，在所述步骤二中，控制所述液氮的温度为-196℃，且控制所述深冷浸润的时长为10min；进行多道次轧制挤压时，通过中央控制系统控制独立的变频电机驱动上方的所述中空工作轧辊述下方的所述中空工作轧辊旋转，以控制两所述中空工作轧辊之间的表面线速度比值为1.3；并通过固定在所述中空工作轧辊轴承座内的四个对称分布的压电夹心式超声换能器向所述中空工作轧辊输入所述机械振动，控制沿轧制方向的纵向振动频率为20khz-28khz，且控制沿所述中空工作轧辊轴向的扭转振动频率为32khz-40khz，在所述中空工作轧辊的压下接触面上形成两维正交叠加的复合振动位移场。

14、优选的，在所述步骤二中，控制所述液氮流经所述中空工作轧辊内部的蛇形迷宫式流道，并控制所述液氮分别通过旋转密封接头从外部的液氮加压供给管路和液氮回收管路进入和排出所述蛇形迷宫式流道；并根据所述中空工作轧辊辊壁内部埋设的薄膜热电偶反馈的温度信号，调节低温电磁调节阀的阀门开度，以控制进入所述蛇形迷宫式流道内的液氮体积流量为45l/min-60l/min；所述深冷浸润过程中，通过泵送系统在0.3mpa-0.5mpa的泵送压力下将所述流动液氮通过沿横向喷淋排管等间隙开设的雾化喷嘴转化为液氮雾，以对通过由多组陶瓷托辊组成的浸润输送轨道进行输送的所述医用金属板材进行喷淋。

15、优选的，在所述步骤三中，控制所述电磁感应加热线圈的输出频率为300khz-500khz；控制所述医用金属板材连续通过由中空铜管绕制而成的多匝矩形隧道式线圈构成的所述电磁感应加热线圈内部，并保持所述医用金属板材外表面与所述矩形隧道式线圈内壁面之间的径向间隙为5mm-8mm；调节所述输出功率时，在所述电磁感应加热线圈的出口端通过双色红外测温仪的测温探头采集所述医用金属板材表面的温度信号并传输至中央控制系统，控制所述中央控制系统以小于1ms的响应时间建立所述温度信号与感应电源输出功率的闭环动态映射关系，调节所述电磁感应加热线圈的输出功率，以控制所述医用金属板材表面的峰值温度为400℃-450℃，且控制所述医用金属板材在所述峰值温度下的保温停留时长为0.2s-0.8s。

16、优选的，在所述步骤三中，实施淬冷时，控制所述气雾通过沿网带传送机构宽度方向等间隙排布的两个长条形双流体雾化喷嘴组成的高压气雾喷嘴进行垂直喷射；控制所述双流体雾化喷嘴的压缩空气通道的进口压力为0.4mpa-0.5mpa，控制高压纯水通道的进口压力为0.6mpa-0.8mpa，使气体与纯水在所述双流体雾化喷嘴内混合，以在喷射口处形成平均雾滴粒径为15微米-30微米的气雾场，并保持所述医用金属板材厚度方向上的冷却速度对称。

17、优选的，在所述步骤四中，控制所述无菌生理盐水悬浮液通过所述文丘里喷嘴向所述医用金属板材表面进行高压对向冲刷时，选用收缩段的收缩半角为15°-22°、喉管段的内径为0.8mm-1.5mm、喉管段的轴向长度与其内径的比值为2.0倍-3.5倍、且扩散段的扩散半角为5°-9°的尺寸规格；高压冲刷时，通过机械装置控制所述文丘里喷嘴在x-y平面内沿蛇形扫描轨迹移动，并保持所述文丘里喷嘴的喷射口端面与所述医用金属板材上表面之间的垂直间距为10mm-20mm。

18、优选的，在所述步骤四中，调配所述无菌生理盐水悬浮液时，控制其中分散的所述纳米颗粒为平均晶粒尺寸为40nm-60nm的纳米羟基磷灰石颗粒以及平均晶粒尺寸为30nm-50nm的氧化锌纳米颗粒，且控制所述纳米羟基磷灰石颗粒的质量分数为1.5wt%-3.5wt%，控制所述氧化锌纳米颗粒的质量分数为0.5wt%；在调配过程中，通过磁力搅拌器以400rpm-600rpm的转速进行机械搅拌，同时通过高频超声分散棒输出频率为25khz-40khz的超声能量场，以控制所述无菌生理盐水悬浮液内部的固相颗粒呈悬浮分布状态。

19、优选的，在所述步骤五中，通过气动机械臂将所述医用金属板材转运至等离子体增强化学气相沉积反应腔内的悬浮电极架上并控制所述悬浮电极架接地；通过开启气体质量流量计，控制经进气阀向所述等离子体增强化学气相沉积反应腔内通入的所述反应气体为高纯氮气与高纯氧气的混合气体，利用氮气质量流量控制器和氧气质量流量控制器控制通入的所述高纯氮气的体积流量为800sccm-1200sccm，控制所述高纯氧气的体积流量为200sccm-300sccm，以使所述高纯氮气与所述高纯氧气的体积流量比值为4.0；并控制所述反应腔内的工作压力为40pa-70pa。

20、优选的，在所述步骤六中，控制所述深冷箱内的气体进行对流循环，且控制在所述深冷箱内的所述深冷保温时长为4h并使腔内工作温度达到-100℃；在降温段中，根据所述深冷箱内多个特征温区的温度值控制降温速率为5℃/min-8℃/min，直到腔内温度达到-100℃；在所述温升回升段，通过所述深冷箱的内置程序升温装置调节电加热丝的电流大小，控制所述深冷箱以2℃/min的温升速率回升至室温。

21、有益效果

22、与现有技术相比，本发明提供了一种用于医疗的高强度金属板处理工艺，具备以下有益效果：

23、1、该一种用于医疗的高强度金属板处理工艺，利用流动液氮进行深冷浸润、控制两中空工作轧辊的表面线速度比值为1.25倍-1.40倍进行非对称轧制，以及通过压电夹心式超声换能器向中空工作轧辊输入纵向频率为20khz-28khz与扭转频率为32khz-40khz的两维正交复合振动的设置，降低了材料的形变抗力，抑制了形变过程中的热软化与位错湮灭，加速了晶粒内部的位错增殖与缠结，提高了医用金属板材的微观硬度与抗拉强度。

24、2、该一种用于医疗的高强度金属板处理工艺，利用特定尺寸规格的文丘里喷嘴产生局部低压空化剪切力进行物理剥蚀，并在工作介质中加入平均晶粒尺寸为40nm-60nm的纳米羟基磷灰石颗粒与平均晶粒尺寸为30nm-50nm的氧化锌纳米颗粒的设置，在医用金属板材表面加工出了形貌均匀且无热影响区的多孔织构，同时将具有生物活性的纳米颗粒机械嵌入多孔织构内壁中，提高了表面的骨整合活性与抗菌功能。

25、3、该一种用于医疗的高强度金属板处理工艺，利用等离子体增强化学气相沉积反应腔内控制高纯氮气与高纯氧气的体积流量比值为4.0并施加150v-300v直流偏压沉积形成氮氧化物阻挡层，以及在深冷箱内控制工作温度达到-100℃进行对流循环保温与程序化升降温的设置，阻止了基体中的金属离子向人体组织浸出，提高了耐腐蚀性，消除了各工序积累的残余内应力，提高了尺寸稳定性和长期疲劳寿命。