新型医用β钛合金的低温冷轧行为及相关问题研究

发布时间：2020-06-09 16:58

【摘要】：钛合金凭借其良好的生物相容性、较低的弹性模量以及适中的强度,逐渐取代不锈钢等传统医用材料,已被广泛应用于人工关节的置换和断骨的固定。相对于纯钛和α+β型钛合金而言,β型钛合金具有更低的弹性模量,更好的加工性能以及更多的强化手段,因此成为目前生物医用钛合金的主流发展方向。但通常固溶态的β钛合金强度往往较低,弹性模量较高。而通过适当的轧制不仅可以提高其强度,而且轧制过程中产生的α”马氏体相变,可使其弹性模量进一步降低,使之更适合做医用植入物。本文对固溶态的Ti-25Nb-10Ta-1Zr-0.2Fe(TNTZF,wt.%)钛合金进行-30℃的低温冷轧,轧制压下量为30～80%,并将部分样品进行大变形时效处理。采用XRD、OM、SEM、Instron3369力学试验机、电化学工作站等观察和分析手段,研究了 TNTZF钛合金在该轧制条件下的相组成、织构演变特点和力学性能的变化及耐蚀性能变化。对其变形机理进行了分析和探讨。对压下量为80%的样品进行了 300～700℃的短时时效处理,研究该合金在大变形下的短时时效行为、析出相组成及其对力学性能的影响,得出以下结论:1)TNTZF钛合金低温冷轧过程中出现了应力诱发α"马氏体相变。整体上,随轧制压下量不断增加,α”马氏体的含量先增加后降低,当压下量为60%时,α"马氏体的含量最高。随变形量的增加衍射峰逐渐宽化,这是晶粒不断细化和晶格畸变的结果。TNTZF钛合金在-30℃低温冷轧过程中,轧制压下量对其晶格常数有重要影响,这种晶格常数的变化,导致β相的稳定性有所变化,进而影响到轧制过程中α"马氏体相的含量。整体上随轧制压下量的增加,其晶格常数变化曲线呈M型。当轧制压下量为60%时,其晶格常数最小,此时α"马氏体含量最高。TNTZF钛合金在-30℃低温冷轧过程中,出现了交滑移,轧制压下量为50%时,隐约可见,轧制压下量在60～80%时,可以看到明显的呈45度角的滑移带。轧制过程中其主要变形机理为α”马氏体相变和位错滑移。2)TNTZF钛合金在-30℃低温冷轧过程中,总体而言,织构强度不高,Y织构始终占据主导,但随着轧制压下量的增加,主要织构由{111}110和{111}112混合织构向{111}112织构转变。3)TNTZF钛合金在-30℃低温冷轧过程中,整体上随轧制压下量的增加,合金强度增加,塑性则不断降低,轧制压下量在30～40%时,合金既有较高的强度,又有优异的塑性,同时弹性模量还较低。TNTZF钛合金在-30℃低温冷轧过程中,α"马氏体相变使其应力应变曲线出现明显的软化段,其长度与α"马氏体增量正相关。α"马氏体含量对其抗拉强度影响不明显,但对其屈服强度有较大影响。4)整体上随轧制压下量的增加,合金耐蚀性不断降低,但当轧制压下量超过70%时,耐蚀性反而提高。5)大变形对TNTZF钛合金的时效析出行为有促进作用。拉伸试验结果及维氏硬度表明,与未变形时效相比,通过冷轧变形可以明显缩短时效时间,降低时效温度,提高材料拉伸强度以及显微硬度,但同时降低了材料的塑性。时效温度对变形时效中析出相组成和形貌有较大影响。随时效温度由低到高,析出相形貌依次呈现:无方向性的均匀析出、沿滑移带网状析出、呈纤维状或带状析出。
【图文】：

由于（３钛低的致密度，使其在高温下很容易扩散，从而造成组织不稳定和晶粒逡逑迅速长大，这种较差的热稳定性使得（３钛很少在高温下使用。ａ钛和（３钛的晶体结构逡逑如图１－１所示。逡逑（ａ）逦ＪＱ，邋＇邋ＪＱ，逦（ｂ）逦ｔ逡逑■Ｉ，，逡逑０邋２９５ｍｎ逡逑ａ２逡逑图１－１钛合金的同素异构结构逡逑（ａ）邋ｃｔ邋钛；（ｂ）邋ｐ邋钛逡逑８逡逑

ｗｔ．％），研宄了该合金在－３０°Ｃ下的冷变形行为，分析了其冷变形过程中的组织转变、逡逑织构转变及其对力学性能和耐蚀性能的影响。随后对轧制压下量为８０％的样品进行逡逑短时时效处理，分析了大变形对其时效析出行为的影响。本文具体实验路线如图２－１逡逑所示。逡逑－邋ｓ逡逑ＴＮＴＺＦ（热轧态）逡逑逦逦邋＿邋．邋＾逡逑１逡逑固溶处理逡逑（９００°Ｃ／ｌｈ）逡逑Ｉ逡逑ｆ逦＋逦，邋）逦（逦＾逡逑低温乳制逦逦？逡逑（－３０°Ｃ／０．２邋￣邋０．５ｍｍ／道次）逦ＨＴＡｉＬｉＳ逡逑＼逦逦逦）逦Ｖ逦逦逦）逡逑■邋卜逦逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑广＇逦、逦ｆ逦＼逡逑性能测试逦微观组织分析逡逑－逦？邋－逡逑ｒ￣邋：；邋￣ｉ逦ｆ邋Ｉ邋ｉ￣邋］逡逑广邋Ｎ邋／＂逦Ｎ逦，邋Ｔ邋，，，、逦＇邋■＂－？Ｖ邋广１邋Ｎ逡逑Ｘ邋１邋Ｘ逡逑维坊电逦射邋射光扫逡逑Ｓ逦２逦化逦线线学逦ｓ逡逑Ｉ邋＃学逦牧（织Ｓ邋｜逡逑Ｓ逦￡逦测逦相构微逦｜逡逑ｓ逦膨逦试逦分分镜逦ｍ逡逑，逦邋逦邋逦邋ＬｉＵ邋Ｌ＾Ｊ邋ｌ邋Ｊ邋逦逦逡逑图２－１实验路线流程图逡逑２．２材料制备逡逑２．２．１固溶处理逡逑将管式炉加热到９００°Ｃ，然后通入氩气排出里面的空气，并等待其温度稳定。待逡逑空气排除干净且温度稳定后
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG339

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本文编号：2704979