新型医用β钛合金的低温轧制及热处理工艺研究

发布时间：2020-02-10 04:06

【摘要】：钛合金具有良好的生物相容性和力学性能,是理想的生物医用金属材料,在临床医学应用上受到广泛认可。传统医用钛合金存在细胞毒性元素和弹性模量偏高的缺陷,因此设计和开发无毒、低弹性模量的新型医用β型钛合金是当前研究的热点。本文利用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、拉伸试验机等手段,系统研究了低温轧制及热处理工艺对新型医用β型钛合金Ti-25Nb-10Ta-1Zr-0.2Fe(TNTZF,wt.%)微观组织和力学性能的影响,得出主要结论如下:合金在低温轧制过程中均发生应力诱发α″马氏体相变,内部产生板条状α″马氏体。低温轧制80%合金中会发生应力诱发ω相变,产生V形ω板条,同时在大变形量下,合金中位错密度增加,局部变形区域出现明显的剪切带。合金低温轧制后,强度提高,随着变形量增加,合金的弹性模量和伸长率不断下降。合金经低温轧制80%后,具有较高的强度(抗拉强度为1066MPa,屈服强度为894MPa),较低的弹性模量(58GPa),适中的伸长率(5.8%)以及最高的强模比(18.4×10-3),综合力学性能良好。低温轧制40%合金退火时,温度越高,合金的再结晶晶粒形核和晶粒长大速度越快。低温轧制40%合金在750℃和800℃退火30min后,合金中开始出现明显的再结晶晶粒,在850℃退火10min时,合金中就已经出现了较多的再结晶晶粒,延长退火时间至30min后,再结晶晶粒尺寸增大至100μm左右。退火条件相同时,变形量越大,合金的再结晶晶粒形核速度越快。低温轧制合金在800℃退火后,抗拉强度和屈服强度会显著降低,伸长率会大幅提高。低温轧制合金退火后抗拉强度范围是720-856MPa,屈服强度范围是600-678MPa,伸长率范围是12.8%-26.7%。合金固溶后空冷和水冷的显微组织基本相同,在670℃固溶时,合金中会析出大量的颗粒状和短条状的α相,在760℃固溶时,α相开始向基体中溶解,部分区域出现β晶粒形核长大,850℃固溶后,合金中只存在晶粒尺寸较大的单一β相。固溶温度相同时,合金的抗拉强度和显微硬度随着冷却速度的增加而降低。合金固溶空冷和水冷后塑性较好,且伸长率随着固溶温度的升高而增加。合金经850℃固溶炉冷后,强度较高(σb=1002MPa),伸长率较低(δ=1.6%),其断口韧窝分布较少,且存在明显的河流状花样,表现出塑性较差的特征。
【图文】：

晶体结构,同素异形体,密排六方结构,体心立方

为继钢铁、铝、镁之后发展起来的 21 世纪新型金属，，其外观，具有光泽。如图 1-1 所示，纯钛有两种同素异形体，其β转低温下时具有稳定的密排六方结构（HCP）的α-Ti，体心立方结 882.5℃与熔点 1678℃之间稳定存在[12]。

固溶处理,炉冷,空冷,工艺

将合金在管式炉中进行固溶处理，为防止氧化，炉内通氩气进行保护。其中，低温轧制及退火处理的合金固溶温度为 900℃，保温 1h，水淬。而为了深入研究固溶处理对合金组织和性能的影响，将合金在 670℃、760℃、850℃下进行固溶处理，处理时间为 30min，并对 3 个不同温度下的试样分别采用炉冷、空冷、水冷方式进行冷却，图 2-2 为合金的固溶处理工艺。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG339;TG166.5

【参考文献】