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生物醫用載體材料Ti-6Al-7Nb合金（α＋β）型雙相鈦合金高溫變形行為研究
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司
更新時間：2013-05-27
??? 生物醫用材料是具有高技術含量和高經濟價值的新型載體材料，是材料科學技術中一個正在發展的新領域。鈦及鈦合金因其密度小、強度高、彈性模量低、優良的耐腐蝕性和生物相容性而成為最優異的生物醫用材料。早期外科植入的鈦合金主要為純鈦和Ti-6Al-4V合金，但由于純鈦強度低，不能用作承重部分植入人體；Ti-6Al-4V合金強度過高，價格也較昂貴，最主要是含有對人體有害元素V，對單體細胞毒性大，能引發對呼吸器官分泌液的刺激性，并對造血系統有害。鑒于Ti-6Al-4V合金作為外科植入性生物醫用材料的局限性，在1978～1982年由瑞士Sulzer醫學技術公司成功研制外科植入生物鈦合金Ti-6Al-7Nb，其力學性能和Ti-6Al-4V合金相當，但不含有毒元素V，經長期臨床應用后，現已被世界醫學界所承認，將逐步取代Ti-6Al-4V合金。Ti-6Al-7Nb是一種中等強度的（α＋β）型雙相鈦合金，具有良好的高溫塑性，適合用作為復雜外科植入體。
????隨著等溫鍛造、超塑成形等先進的成形技術的不斷發展，對鈦合金高溫變形行為進行研究變得尤為重要。鈦合金在獲得最終產品前，需要在β單相區或α＋β兩相區進行熱加工，而鈦合金高溫變形受應變、應變速率和溫度的共同影響。合理的選擇熱加工參數對鈦合金的加工性能（是否有裂紋、空洞和變形不均勻現象）和顯微組織（晶粒尺寸、α相形態、β相形態和第二相分布）都能產生良好的影響，并且可以有效的提高加工速率、降低加工成本。近年來，為了提高鈦合金零件的加工能力，各國學者對鈦合金的高溫變形行為以及成形性能做了大量的研究。但目前國際上對Ti-6Al-7Nb生物鈦合金高溫變形機制深入研究甚少。
科研人員采用Gleeble2000熱模擬機對Ti-6Al-7Nb合金鍛棒在不同溫度和不同應變速率下進行高溫單道次壓縮試驗，分析不同溫度和應變速率對應力-應變曲線和組織變化的影響，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。
實驗用料Ti-6Al-7Nb合金取自模鍛棒材，原始狀態為（α＋β）雙相組織，化學成分（%，質量分數）：Al6.18，Nb7.07，Fe0.046，C0.027，Ti為基體。利用熱膨脹法測出此合金α→β相變點溫度約為1010℃。采用Gleeble-2000熱模擬實驗機進行恒溫恒應變速率單道次熱壓縮實驗。試樣尺寸為Φ8mm×15mm的圓柱體，試樣表面均磨光。實驗變形溫度分別為750、800、850、900℃，應變速率分別為0.001、0.010、0.100、1.000、10.000s－1，最大變形量70%。進行熱壓縮實驗之前，試樣兩端面墊有薄Ta片，起潤滑作用，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℃）；然后開始壓縮。實驗在氬氣保護下進行，完畢后迅速取出試樣空冷，以模擬實際熱加工狀態。利用光學顯微鏡和透射電鏡觀察變形后組織。實驗結果如下：
（1）Ti-6Al-7Nb合金在較低應變速率0.001～0.100s－1變形時，軟化機制主要歸因于α相動態再結晶；而在較高應變速率1～10s－1變形時，流變軟化主要是由“絕熱”效應造成的。（2）溫度變化對α相體積分數有重要影響；應變速率變化對α相體積分數影響不大，但對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℃，應變速率為0.001～0.100s－1范圍內變形機制主要為α相動態再結晶，在溫度900℃變形時，應變速率0.001～0.100s－1范圍內變形機制由β相動態回復控制。
????綜合考慮變形行為與組織細化因素，溫度750～850℃，變形速率在0.010～0.100s－1范圍內，為良性熱加工區域。
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