超細晶生物醫用鈦合金的制備工藝
寶雞市盛澤金屬有限公司 發布日期: 2016-11-7 11:17:01
生物醫用鈦合金具有高的強度、良好的耐蝕性能、較低的彈性模量、優異的生物相容性,已成為目前外科植入物與矯形器械產品的主要材料。與粗晶醫用鈦合金相比,超細晶醫用鈦合金具有更高的強度與更好的疲勞性能以及耐腐蝕性能。而且,超細晶鈦合金可誘導骨組織向內生長,增加界面結合強度,加快骨修復進程,在硬組織修復材料領域具有廣闊的應用前景。 研究表明,大塑性變形技術是獲取超細晶鈦合金的重要工藝途徑。大塑性變形技術可以在不改變金屬材料尺寸的前提下,通過施加很大的剪切應力而引入高密度位錯,將晶粒尺寸細化到1微米以下,獲得由均勻等軸晶組成的超細晶材料。此法在加工過程中不易引入雜質,制得的試樣中沒有殘留縮孔,避免了其他方法制備的超細晶材料有空洞、致密性差等問題。目前,作為一種有效制備超細晶以及納米晶材料的方法,大塑性變形技術已經開始應用于制備超細晶新型生物醫用鈦合金材料,通過晶粒細化優化了材料的綜合性能,包括強度、塑性、疲勞性能以及耐腐蝕性等。 一、等徑彎角擠壓法( ECAP)。該技術是將試樣放入2個或多個互成一定角度的等徑彎角通道內,在壓力的作用下使試樣通過通道受到均勻的純剪切變形。由于試樣在擠壓前后的三維尺寸保持不變,故可以通過反復擠壓增大有效應變量,從而獲得均勻細小的組織。例如,采用內角120°的模具對Ti-6Al-4V進行 4 道次ECAP后晶粒尺寸由28 μm減小到250 nm,其抗拉強度和顯微硬度提高到 773 MPa 和2486 MPa( HV)。 二、高壓扭轉法( HPT)。該法是大塑性變形技術中晶粒細化能力最強的。試樣在沖頭和支座之間承受很大的壓力,同時由于模支座的旋轉,使試樣產生軸向壓縮和切向剪切變形。該法既可以細化晶粒,也可以使材料內部孔隙得到有效的閉合,提高材料的強度和韌性。例如,利用HPT 法處理Ti-6Al-7Nb 合金,5 圈后,顯微硬度值提高了78.70% 。HPT法制備的超細晶材料的強度可比ECAP法高約500MPa。因此,HPT技術是一種非常具有應用前景的制備超細晶醫用鈦合金的工藝。 三、累積疊軋法( ARB) 。該工藝是將兩塊預先表面處理過的薄板材料在一定溫度下疊軋并使其軋合,重復進行相同的工藝反復疊軋,直至達到所需的有效應變量,從而使材料的組織得到細化。例如,用ARB法對Ti-25Nb-3Zr-3Mo-2Sn合金軋制處理4 個周期后,晶粒細化,抗拉強度比原合金提高了70%,達到1220 MPa,屈服強度增加到 946 MPa。 四、攪拌摩擦加工(FSP) 。這是一種連續、純機械的固相焊接工藝,在焊接過程中,攪拌頭高速旋轉并將攪拌針擠入兩塊對接板材的接縫處,其旋轉產生的剪切摩擦熱將攪拌針周圍的金屬變軟進而熱塑化,使加工部位的材料產生塑性流變。例如,用FSP法處理Ti-6Al-4V,所得合金的屈服強度和抗拉強度分別達到1067 MPa和1156 MPa,并且延伸率仍有21.7% 。
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