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生物醫(yī)用載體材料Ti-6Al-7Nb合金（α＋β）型雙相鈦合金高溫變形行為研究
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司
更新時(shí)間：2013-05-27
??? 生物醫(yī)用材料是具有高技術(shù)含量和高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的新型載體材料，是材料科學(xué)技術(shù)中一個(gè)正在發(fā)展的新領(lǐng)域。鈦及鈦合金因其密度小、強(qiáng)度高、彈性模量低、優(yōu)良的耐腐蝕性和生物相容性而成為最優(yōu)異的生物醫(yī)用材料。早期外科植入的鈦合金主要為純鈦和Ti-6Al-4V合金，但由于純鈦強(qiáng)度低，不能用作承重部分植入人體；Ti-6Al-4V合金強(qiáng)度過(guò)高，價(jià)格也較昂貴，最主要是含有對(duì)人體有害元素V，對(duì)單體細(xì)胞毒性大，能引發(fā)對(duì)呼吸器官分泌液的刺激性，并對(duì)造血系統(tǒng)有害。鑒于Ti-6Al-4V合金作為外科植入性生物醫(yī)用材料的局限性，在1978～1982年由瑞士Sulzer醫(yī)學(xué)技術(shù)公司成功研制外科植入生物鈦合金Ti-6Al-7Nb，其力學(xué)性能和Ti-6Al-4V合金相當(dāng)，但不含有毒元素V，經(jīng)長(zhǎng)期臨床應(yīng)用后，現(xiàn)已被世界醫(yī)學(xué)界所承認(rèn)，將逐步取代Ti-6Al-4V合金。Ti-6Al-7Nb是一種中等強(qiáng)度的（α＋β）型雙相鈦合金，具有良好的高溫塑性，適合用作為復(fù)雜外科植入體。
????隨著等溫鍛造、超塑成形等先進(jìn)的成形技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)鈦合金高溫變形行為進(jìn)行研究變得尤為重要。鈦合金在獲得最終產(chǎn)品前，需要在β單相區(qū)或α＋β兩相區(qū)進(jìn)行熱加工，而鈦合金高溫變形受應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度的共同影響。合理的選擇熱加工參數(shù)對(duì)鈦合金的加工性能（是否有裂紋、空洞和變形不均勻現(xiàn)象）和顯微組織（晶粒尺寸、α相形態(tài)、β相形態(tài)和第二相分布）都能產(chǎn)生良好的影響，并且可以有效的提高加工速率、降低加工成本。近年來(lái)，為了提高鈦合金零件的加工能力，各國(guó)學(xué)者對(duì)鈦合金的高溫變形行為以及成形性能做了大量的研究。但目前國(guó)際上對(duì)Ti-6Al-7Nb生物鈦合金高溫變形機(jī)制深入研究甚少。
科研人員采用Gleeble2000熱模擬機(jī)對(duì)Ti-6Al-7Nb合金鍛棒在不同溫度和不同應(yīng)變速率下進(jìn)行高溫單道次壓縮試驗(yàn)，分析不同溫度和應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)和組織變化的影響，探討獲得良好加工性能的熱變形條件，利用Arrhenius方程計(jì)算熱變形激活能，為制定合理的熱加工工藝提供可靠的理論依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)用料Ti-6Al-7Nb合金取自模鍛棒材，原始狀態(tài)為（α＋β）雙相組織，化學(xué)成分（%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：Al6.18，Nb7.07，F(xiàn)e0.046，C0.027，Ti為基體。利用熱膨脹法測(cè)出此合金α→β相變點(diǎn)溫度約為1010℃。采用Gleeble-2000熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行恒溫恒應(yīng)變速率單道次熱壓縮實(shí)驗(yàn)。試樣尺寸為Φ8mm×15mm的圓柱體，試樣表面均磨光。實(shí)驗(yàn)變形溫度分別為750、800、850、900℃，應(yīng)變速率分別為0.001、0.010、0.100、1.000、10.000s－1，最大變形量70%。進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)之前，試樣兩端面墊有薄Ta片，起潤(rùn)滑作用，加熱速率為5℃·s－1，到溫后保溫5min，精確控制加熱和保溫溫度（≤±5℃）；然后開(kāi)始?jí)嚎s。實(shí)驗(yàn)在氬氣保護(hù)下進(jìn)行，完畢后迅速取出試樣空冷，以模擬實(shí)際熱加工狀態(tài)。利用光學(xué)顯微鏡和透射電鏡觀(guān)察變形后組織。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：
（1）Ti-6Al-7Nb合金在較低應(yīng)變速率0.001～0.100s－1變形時(shí)，軟化機(jī)制主要?dú)w因于α相動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；而在較高應(yīng)變速率1～10s－1變形時(shí)，流變軟化主要是由“絕熱”效應(yīng)造成的。（2）溫度變化對(duì)α相體積分?jǐn)?shù)有重要影響；應(yīng)變速率變化對(duì)α相體積分?jǐn)?shù)影響不大，但對(duì)α相形貌有重要影響。（3）Ti-6Al-7Nb合金在750、800、850和900℃溫度下變形激活能分別為209.25、196.01、194.01和130.40kJ·mol－1。（4）Ti-6Al-7Nb合金在溫度750～850℃，應(yīng)變速率為0.001～0.100s－1范圍內(nèi)變形機(jī)制主要為α相動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，在溫度900℃變形時(shí)，應(yīng)變速率0.001～0.100s－1范圍內(nèi)變形機(jī)制由β相動(dòng)態(tài)回復(fù)控制。
????綜合考慮變形行為與組織細(xì)化因素，溫度750～850℃，變形速率在0.010～0.100s－1范圍內(nèi)，為良性熱加工區(qū)域。
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