新型醫(yī)用β鈦合金的雙級時效與低溫軋制行為研究.pdf

1、鈦及鈦合金具有彈性模量低、強(qiáng)度高以及良好的生物相容性和耐蝕性能，逐漸取代了傳統(tǒng)的醫(yī)用生物金屬材料，現(xiàn)已成為了人工關(guān)節(jié)、心血管支架、牙科植體等醫(yī)用植入材料的首選。當(dāng)前，生物醫(yī)用鈦合金材料已經(jīng)發(fā)展到第三代β型醫(yī)用鈦合金。相對臨床上廣泛應(yīng)用的醫(yī)用鈦合金 Ti-6Al-4V，β型醫(yī)用鈦合金擁有更低的彈性模量，更加優(yōu)良的生物相容性以及耐腐蝕性能等優(yōu)勢，受到人們越來越多的關(guān)注，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。
　　本文利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X

2、射線衍射儀、透射電鏡等分析手段，并結(jié)合顯微硬度及力學(xué)性能等試驗，對新型生物醫(yī)用β型鈦合金Ti-25Nb-10Ta-1Zr-0.2Fe(TNTZF,wt.％)的雙級時效析出行為以及低溫軋制變形行為進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：
　　TNTZF合金經(jīng)過雙級時效之后，時效硬度曲線基本出現(xiàn)在單級時效的上方并且呈明顯的雙峰特征。合金在四組雙級時效制度300 ℃-20/60min+550 ℃，400 ℃-20/60min+550 ℃下的峰值點(diǎn)的時

3、效時間和硬度分別是4h(295HV)，2h(307HV)；4h(300HV)，4h(332HV)。合金在550 ℃單級時效過程中，β基體中短時間析出馬氏體α"，隨后α"轉(zhuǎn)變成α相。析出序列為β→β+α"→β+α；合金在雙級時效第一階段300℃/400 ℃時效時析出ω和馬氏體α"，在第二階段550 ℃時效時，ω和α"轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?，雙級時效析出序列為β→β+ω→β+α"→β+α。雙級時效后，合金的晶內(nèi)形成由片層α組成的“階梯狀”α組織，對硬度

4、產(chǎn)生較大的貢獻(xiàn)。在一定時效范圍內(nèi)，550 ℃單級時效合金的彈性模量和伸長率均增加；400 ℃/1h+550 ℃雙級時效后，合金彈性模量先降低后上升，而伸長率則先增加后降低。與單級時效相比，雙級時效后合金的抗拉強(qiáng)度和塑性變化比較穩(wěn)定，有利于對合金性能的有效調(diào)控。拉伸斷口形貌顯示，斷口有較多的韌窩，合金斷裂方式均為塑性斷裂，雙級時效后合金的塑性有一定程度的提高。合金性能最優(yōu)的時效工藝為：400 ℃/1h+550 ℃/2h。在此條件下合金彈性

5、模量、抗拉強(qiáng)度、伸長率分別為：65GPa、845MPa、14.3%，達(dá)到良好的綜合性能匹配，可以滿足植入材料對生物力學(xué)性能的要求。
　　TNTZF合金在低溫(-20 ℃)軋制過程中發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)α″馬氏體相變，內(nèi)部產(chǎn)生板條狀α″馬氏體。當(dāng)冷軋變形量為60%時，α″馬氏體含量最高。隨軋制變形量的增加，合金內(nèi)部產(chǎn)生局域非均勻化塑性變形，存在高密度的位錯胞，晶粒不斷被細(xì)化到納米級。合金的變形機(jī)制主要為應(yīng)力誘發(fā)α″馬氏體相變、位錯滑移以及結(jié)

6、構(gòu)納米化。合金低溫軋制后的顯微硬度均高于固溶態(tài)，表現(xiàn)出一定的加工硬化效應(yīng)。隨變形量的增加，合金的強(qiáng)度不斷提高，彈性模量和伸長率不斷下降。通過拉伸斷口形貌觀察，合金斷裂方式均為韌窩塑性斷裂。與固溶態(tài)試樣相比，經(jīng)過40%、60%、80%變形后試樣的斷口均比較平整，且韌窩深度較淺，尺寸較小，所以軋制之后的塑性也明顯降低。隨變形量的增大，韌窩尺寸有所減小，深度逐漸變淺，對應(yīng)了合金伸長率不斷降低的趨勢。低溫軋制60%后合金表現(xiàn)出良好的綜合力學(xué)性能