新型醫(yī)用β鈦合金的雙級(jí)時(shí)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(duì)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(shì)，受到人們?cè)絹?lái)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(yàn)，對(duì)新型生物醫(yī)用β型鈦合金Ti-25Nb-10Ta-1Zr-0.2Fe(TNTZF,wt.％)的雙級(jí)時(shí)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(guò)雙級(jí)時(shí)效之后，時(shí)效硬度曲線基本出現(xiàn)在單級(jí)時(shí)效的上方并且呈明顯的雙峰特征。合金在四組雙級(jí)時(shí)效制度300 ℃-20/60min+550 ℃，400 ℃-20/60min+550 ℃下的峰值點(diǎn)的時(shí)

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

4、產(chǎn)生較大的貢獻(xiàn)。在一定時(shí)效范圍內(nèi)，550 ℃單級(jí)時(shí)效合金的彈性模量和伸長(zhǎng)率均增加；400 ℃/1h+550 ℃雙級(jí)時(shí)效后，合金彈性模量先降低后上升，而伸長(zhǎng)率則先增加后降低。與單級(jí)時(shí)效相比，雙級(jí)時(shí)效后合金的抗拉強(qiáng)度和塑性變化比較穩(wěn)定，有利于對(duì)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(jí)時(shí)效后合金的塑性有一定程度的提高。合金性能最優(yōu)的時(shí)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(zhǎng)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(duì)生物力學(xué)性能的要求。
　　TNTZF合金在低溫(-20 ℃)軋制過(guò)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(shí)，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(cuò)胞，晶粒不斷被細(xì)化到納米級(jí)。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(cuò)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(zhǎng)率不斷下降。通過(guò)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(guò)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(duì)應(yīng)了合金伸長(zhǎng)率不斷降低的趨勢(shì)。低溫軋制60%后合金表現(xiàn)出良好的綜合力學(xué)性能