新型医用β钛合金的低温冷轧行为及相关问题研究

新型医用β钛合金的低温冷轧行为及相关问题研究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