亞穩(wěn)β型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金的顯微組織與性能.pdf

1、2003年，齋藤等人研發(fā)出一組組分為Ti3(Ta+Nb+V)+(Zr、Hf)+O的新型多功能亞穩(wěn)β鈦合金。這組鈦合金在室溫下經(jīng)過強變形后，不但同時具有高強度和低彈性模量，還具有超彈性、超塑性等諸多超級性能，是一種潛在的醫(yī)用生物材料。齋藤等人認為這組亞穩(wěn)β鈦合金之所以具有這些優(yōu)良性能，是因為它們具有一種特殊的塑性變形機制-無位錯塑性變形機制。本研究采用冷坩堝懸浮熔煉法制備了這組亞穩(wěn)β鈦合金的一種，其名義成分為Ti-23Nb-0.7Ta-2

2、Zr-O(at.％，TNTZO)，并系統(tǒng)研究了固溶態(tài)TNTZO合金在塑性變形后的顯微組織及隨后再結(jié)晶退火過程中的顯微組織演變，分析了合金的變形機制，并考察了該合金的力學(xué)性能、物理性能和耐腐蝕性能。 研究結(jié)果表明：經(jīng)過室溫塑性變形后，TNTZO合金中β相保持穩(wěn)定，沒有應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變發(fā)生。經(jīng)較大程度壓縮變形后合金具有比較明顯的＜100＞和＜111＞雙織構(gòu)。由于在冷旋鍛過程中晶粒處于平面應(yīng)變條件，因而經(jīng)90％冷旋鍛變形后，TNTZ

3、O合金的顯微組織由大量平行于旋鍛軸向的板條組織構(gòu)成。這些板條扭曲并相互環(huán)繞，在垂直旋鍛軸向的截面上形成由細小纖維狀組織交織而成的大理石花紋狀組織，同時合金中產(chǎn)生強烈的＜110＞絲織構(gòu)。TEM觀察結(jié)果表明變形后TNTZO合金中出現(xiàn)了高密度的位錯聚集。因此，TNTZO合金仍然通過傳統(tǒng)的位錯滑移機制進行塑性變形，而不是通過所謂的無位錯機制進行塑性變形。TNTZO合金的再結(jié)晶動力學(xué)曲線具有典型的“S”曲線特征，表明TNTZO合金的再結(jié)晶是典型的

4、形核長大過程。經(jīng)90％冷旋鍛變形的TNTZO合金的再結(jié)晶激活能約為180kJ/mol。TEM觀察結(jié)果表明TNTZO合金的回復(fù)通過多邊形化機制進行，再結(jié)晶通過形核長大機制進行。隨著退火時間的延長，TNTZO合金中小角晶界數(shù)量減少，CSL晶界和大角隨機晶界數(shù)量增多，并出現(xiàn)退火孿晶界。由于再結(jié)晶晶粒不遵循定向長大機制，因而再結(jié)晶完成后合金中的晶粒取向趨向于隨機分布，不存在明顯的織構(gòu)。TNTZO合金具有與普通金屬相同的回復(fù)與再結(jié)晶機制，其回復(fù)與

5、再結(jié)晶過程與位錯的運動密切相關(guān)，這從另一個方面表明TNTZO合金通過傳統(tǒng)的位錯滑移機制進行塑性變形。由于織構(gòu)的存在，變形態(tài)TNTZO合金的彈性模量降低；而合金的彈性回復(fù)率升高，表現(xiàn)出超彈性行為。在820℃退火5分鐘后，由于發(fā)生了再結(jié)晶，TNTZO合金的彈性模量恢復(fù)到固溶態(tài)合金的水平。冷旋鍛態(tài)TNTZO合金在400℃以下具有很低的線膨脹系數(shù)，小于5×10-6K-1，而在820℃再結(jié)晶退火5分鐘后，合金的線膨脹系數(shù)急劇升高，達到約9×10-

6、6K-1。DSC曲線上吸熱峰的出現(xiàn)表明合金在約400～480℃溫度區(qū)間存在相變。在林格溶液中，TNTZO合金的鈍化膜主要由Ti、Nb、Ta和Zr元素的氧化物組成。被Nb、Ta和Zr的氧化物改性的TiO2鈍化膜比被Al和V的氧化物改性的TiO2鈍化膜更穩(wěn)定且具有更好的保護作用，因而TNTZO合金具有比Ti-6Al-4V合金更優(yōu)異的耐蝕性。由于應(yīng)變和織構(gòu)的存在，塑性變形對TNTZO合金腐蝕性能的影響比較復(fù)雜。較小程度的變形引起TNTZO合金