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超细晶生物医用钛合金的制备工艺

来源: 发布时间:(2015-12-15)分类:钛的应用字体:   

  生物医用钛合金具有高的强度、良好的耐蚀性能、较低的弹性模量、优异的生物相容性,已成为目前外科植入物与矫形器械产品的主要材料。与粗晶医用钛合金相比,超细晶医用钛合金具有更高的强度与更好的疲劳性能以及耐腐蚀性能。而且,超细晶钛合金可诱导骨组织向内生长,增加界面结合强度,加快骨修复进程,在硬组织修复材料领域具有广阔的应用前景。


  研究表明,大塑性变形技术是获取超细晶钛合金的重要工艺途径。大塑性变形技术可以在不改变金属材料尺寸的前提下,通过施加很大的剪切应力而引入高密度位错,将晶粒尺寸细化到1微米以下,获得由均匀等轴晶组成的超细晶材料。此法在加工过程中不易引入杂质,制得的试样中没有残留缩孔,避免了其他方法制备的超细晶材料有空洞、致密性差等问题。目前,作为一种有效制备超细晶以及纳米晶材料的方法,大塑性变形技术已经开始应用于制备超细晶新型生物医用钛合金材料,通过晶粒细化优化了材料的综合性能,包括强度、塑性、疲劳性能以及耐腐蚀性等。


  一、等径弯角挤压法( ECAP)。该技术是将试样放入2个或多个互成一定角度的等径弯角通道内,在压力的作用下使试样通过通道受到均匀的纯剪切变形。由于试样在挤压前后的三维尺寸保持不变,故可以通过反复挤压增大有效应变量,从而获得均匀细小的组织。例如,采用内角120°的模具对Ti-6Al-4V进行 4 道次ECAP后晶粒尺寸由28 μm减小到250 nm,其抗拉强度和显微硬度提高到 773 MPa 和2486 MPa( HV)。


  二、高压扭转法( HPT)。该法是大塑性变形技术中晶粒细化能力最强的。试样在冲头和支座之间承受很大的压力,同时由于模支座的旋转,使试样产生轴向压缩和切向剪切变形。该法既可以细化晶粒,也可以使材料内部孔隙得到有效的闭合,提高材料的强度和韧性。例如,利用HPT 法处理Ti-6Al-7Nb 合金,5 圈后,显微硬度值提高了78.70% 。HPT法制备的超细晶材料的强度可比ECAP法高约500MPa。因此,HPT技术是一种非常具有应用前景的制备超细晶医用钛合金的工艺。


  三、累积叠轧法( ARB) 。该工艺是将两块预先表面处理过的薄板材料在一定温度下叠轧并使其轧合,重复进行相同的工艺反复叠轧,直至达到所需的有效应变量,从而使材料的组织得到细化。例如,用ARB法对Ti-25Nb-3Zr-3Mo-2Sn合金轧制处理4 个周期后,晶粒细化,抗拉强度比原合金提高了70%,达到1220 MPa,屈服强度增加到 946 MPa。



  四、搅拌摩擦加工(FSP) 。这是一种连续、纯机械的固相焊接工艺,在焊接过程中,搅拌头高速旋转并将搅拌针挤入两块对接板材的接缝处,其旋转产生的剪切摩擦热将搅拌针周围的金属变软进而热塑化,使加工部位的材料产生塑性流变。例如,用FSP法处理Ti-6Al-4V,所得合金的屈服强度和抗拉强度分别达到1067 MPa和1156 MPa,并且延伸率仍有21.7% 。

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