[发明专利]一种低弹高强铝合金变幅杆及其制备方法

说明书

本发明公开了一种低弹高强铝合金变幅杆及其制备方法，根据设计配方按化学计量比称量原料，将称量好的原料依次投入熔炼炉中进行熔炼，并浇注到预热后的模具中得到铸锭，经去浇口、铣面等表面处理后，进行均匀化处理，随后通过塑性加工得到合金棒材，锯切成短棒置于热处理炉内进行特殊热处理，最后机加工得到变幅杆制品。与现有技术相比，采用特定元素合金化结合特殊热处理技术，具有弹性模量低、强度高、工艺简单、成本低等优点，能很好的满足商用需求，很适合于制备铝合金变幅杆制品。

技术领域

本发明属于变幅杆制备技术领域，尤其涉及一种低弹高强铝合金变幅杆及其制备方法。

背景技术

超声波是指频率大于20KHz以上的声波，因其方向性好，穿透力强，已被广泛应用于超声刀手术、超声波雾化、B超检查、超声波制药等诸多医学领域。相较于传统手术，超声刀手术具有切割精度高、创伤范围小、凝血效果佳、视野更加清晰、手术时间大幅缩短、术后恢复快等优点，给医生和患者都带来了巨大好处。

超声手术刀设备主要由高频功率源和超声振动系统两部分组成。超声振动系统又包括三个部分：超声换能器、超声变幅杆、超声刀刀头。其中，超声换能器是进行能量转换的器件，它可以将超声波发生器产生的振荡电信号转换成机械振动信号，即把电能转化成机械能，其辐射面的振动幅度通常只有几微米，不能超声外科手术的需求。因此，需在换能器前安装变幅杆，它通过界面的变化使得超声能量聚集，进而使负载端面输出端的振幅放大，故也称之为超声聚能器。把变幅杆工作时输入端与输出端振幅的比值称为放大系数，它是变幅杆的重要性能指标。目前，提高变幅杆放大系数的方法主要有新结构设计和新材料开发。材料的弹性模量是其中的关键物理性能。从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。影响弹性模量的因素有化学成分、相组成、晶体结构、残余应力等。弹性模量越小，说明在相同应力下的材料应变就越大，也就意味着输出振幅越大。同时，变幅杆材料与需具有强度高、易加工等优点。

现阶段，变幅杆的常用材料有钛合金，铝合金，合金钢。钛合金的弹性模量为110GPa左右，机械性能较好，但加工较困难、成本高；合金钢如45钢、4Cr13虽然强度高、耐蚀性好，同时易加工，但弹性模量接近200GPa，振动效果不佳；铝合金虽然易加工、成本低廉，但弹性模量较大，约为70GPa，且强度不高，均不能很好地满足高功率高振幅超声变幅杆的需求。因此，提出一种低弹性模量、高强度、工艺简单、成本低的超声变幅杆的制备方法是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的不足，提供一种低弹高强铝合金变幅杆及其制备方法，采用特定元素合金化结合特殊热处理技术制备出低弹性模量、高强度的铝合金超声变幅杆，本发明的制备方法工艺简单、成本低。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种低弹高强铝合金变幅杆的制备方法，包括以下步骤：

将铝合金铸锭均匀化处理、塑性加工获得铝合金棒材，再将铝合金棒材进行固溶处理、深冷处理、时效处理，即得铝合金变幅杆；

所述铝合金铸锭中，含有M元素，所述M元素选自Ca、Y、Zr、Nb、Sr中的至少一种，所述M元素在铝合金铸锭中的质量分数为0.5～1.5wt.％。

在本发明中，通过在铝合金中配入一定量的M元素，所述M元素选自Ca、Y、Zr、Nb、Sr中的至少一种，发明人意外的发现，这些元素能够改变晶格常数，使铝晶格发生膨胀，提高原子的间距，由此降低弹性模量。

另外本发明在制得铝合金棒材后，通过固溶处理、深冷处理、时效处理的热处理组合机制，进一步提升合金的性能，首先通过固溶处理+深冷处理，通过急热和急冷产生热应力来抵消原来的应力场，大幅降低残余应力，进一步降低材料弹性模量，同时通过固溶处理+深冷处理可使铝基体获得比常规的固溶处理更高的饱和度，最大程度的发挥合金的时效强化潜力，再配合时效处理，获得足够多的与基体呈半共格状态的η'相，由此大幅度提高合金的性能。