简介概要

新型近β型医用钛合金TLM的加工、组织与性能

来源期刊：稀有金属2006年第2期

论文作者：罗丽娟袁思波牛金龙张亚锋皇甫强周廉王立新于振涛

关键词：近β型钛合金; 加工; 显微组织; 力学性能; 生物医用材料; 外科植入件;

摘要：介绍了一种新型近β型医用钛合金TLM(Ti-(1.5～4.5)Zr-(0.5～5.5)Sn-(1.5～4.4)Mo-(23.5～26.5)Nb)的加工特性、显微组织和典型力学性能,探讨了板、棒、管典型材料的加工成形性及影响因素、不同热处理工艺与相应显微组织的变化规律,以及合金拉伸应力应变行为、高温拉伸性能、疲劳性能、耐磨性能等典型力学性能.结果表明,TLM合金是一种优良的生物医用材料,特别适合充当外科植入和矫形器械使用(人工关节、牙齿等).

稀有金属 2006,(02),226-230 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.02.023

新型近β型医用钛合金TLM的加工、组织与性能

周廉罗丽娟牛金龙王立新袁思波皇甫强张亚锋

西北有色金属研究院,西北有色金属研究院,西北有色金属研究院,西北有色金属研究院,西北有色金属研究院,西北有色金属研究院,西北有色金属研究院,西北有色金属研究院陕西西安710016,陕西西安710016,陕西西安710016,陕西西安710016,陕西西安710016,陕西西安710016,陕西西安710016,陕西西安710016

摘要：

介绍了一种新型近β型医用钛合金TLM (Ti- (1.5⁴.5) Zr- (0.5⁵.5) Sn- (1.5⁴.4) Mo- (23.5²6.5) Nb) 的加工特性、显微组织和典型力学性能, 探讨了板、棒、管典型材料的加工成形性及影响因素、不同热处理工艺与相应显微组织的变化规律, 以及合金拉伸应力应变行为、高温拉伸性能、疲劳性能、耐磨性能等典型力学性能。结果表明, TLM合金是一种优良的生物医用材料, 特别适合充当外科植入和矫形器械使用 (人工关节、牙齿等) 。

关键词：

近β型钛合金;加工;显微组织;力学性能;生物医用材料;外科植入件;

中图分类号： TG113

作者简介：周廉 (E-mail:yzt@c-nin.com) ;

收稿日期：2005-12-01

基金：国家“863”高技术项目资助 (2002AA326070);

Process, Microstructure, Properties of Newly Developed β-Type Biomedical Titanium Alloy TLM

Abstract：

The process, microstructure and typical mechanical properties of near β type titanium alloys Ti- (1.5～4.5) Zr- (0.5～5.5) Sn- (1.5～4.4) Mo- (23.5～26.5) Nb (TLM) were introduced. The processing capability and influencial effects, different heat treatment and their related microstructure evolutions, and the tensile stress-strain behavior, tensile properties at high temperature, fatigue properties and wear resistance were mainly discussed. The results show that TLM alloy is a promising biomedical material which is much more suitable for surgical implanting and orthopedic devices such as human joint, tooth etc.

Keyword：

near β type titanium alloys; process; microstructure; mechanical properties; biomedical material; surgical implants;

Received： 2005-12-01

医用金属材料中, 钛和钛合金被公认为生物相容性最好的材料。但是用于矫形外科的钛合金植入材料不仅要求具有良好的生物相容性, 而且要求具有良好的工艺性能和力学相容性, 即要求具有较低的弹性模量, 足够的强度和塑韧性以及优良的耐磨性和疲劳性能等, 从而保证材料植入后的有效性和可靠性。

介稳定β型钛合金是目前人们正在热点研究的新一代医用钛合金, 如美国研制的Ti-13Nb-13Zr合金 ^[1] , 这类合金通过选择和控制适当的加工与热处理工艺可以使合金达到较低弹性模量、优良的工艺成型性与其他力学性能的优良匹配。本文介绍了新型近β型钛合金Ti- (1.5～4.5) Zr- (0.5～5.5) Sn- (1.5～4.4) Mo- (23.5～26.5) Nb (TLM) ^[2] 典型材料的加工特性、不同热处理条件下合金的显微组织特征及合金典型的力学性能。

1 TLM合金的加工特性

原材料采用0级海绵Ti, 纯Zr条 (99.7%) , 纯Sn条 (99.9%) , 纯Mo粉 (99.8%) 和Nb53Ti47中间合金, 经两次真空自耗电弧炉熔炼得到成分均匀 (图1) 、杂质含量较低的25 kg优质铸锭, 杂质元素含量 (质量分数) : Fe 0.09%, Si<0.04%, C 0.02%, N 0.018%, H 0.001%, O 0.07%。然后对铸锭经开坯锻造、挤压、轧制、拉拔、铸造、热处理等多道工序, 可以加工成各种板、棒、管、丝、箔及锻件、铸件等材料。选择Ti-13Nb-13Zr合金作为对比合金。

1.1 棒材

表1是TLM合金棒坯 (Φ 35 mm) 分别经过β相区热轧 (温度950 ℃, 火次变形量80%) 和α+β两相区热轧 (温度680 ℃, 火次变形量60%) 加工后合金的力学性能。可以看出TLM合金在α+β两相区热轧态试样较β相区热轧态试样的强度和弹性模量升高, 而延伸率降低了。进行β相区加工时, TLM合金中具有体心立方结构的β相可以承受较大的热加工变形而使粗大的晶粒组织得以充分破碎, 而在加工和随后冷却过程中可以产生回复和部分再结晶, 因而加工塑性较好 ^[3] 。

图1 TLM合金铸锭的扫描电镜显微分析

Fig.1 Microstructure of TLM alloy ingot by SEM

1.2 板材

TLM合金3 mm厚板坯经过一次冷轧加工得到1.5 mm厚板材, 其冷轧态力学性能如表2所示。可以看出新合金沿不同取样方向的力学性能差异很小, 表明TLM合金没有明显的各向异性, 这对新合金充当外科植入物用材非常有利。

表1 加工工艺对TLM合金力学性能的影响

Table 1Effect of working process on mechanical properties of TLM alloy

合金	Rm/MPa	A₅/%	E/GPa	加工工艺
Ti-13Zr-13Nb	825	19	71	β
	948	11	80	(α+β)
TLM	783	18	69	β
	993	13	72	(α+β)

表2 TLM合金冷轧板材的力学性能

Table 2Mechanical properties of cold-rolled plates of TLM alloy

合金	Rm/MPa	R_p0.2/MPa	A₅/%	E/GPa	Direction
TLM	980	895	11.5	78.0	TD
	975	890	13.0	83.0
	935	850	14.5	89.0	LD
	935	850	15.0	83.2

1.3 管材

TLM合金管坯 (Φ12 mm×1.2 mm) 经过三辊轧机 (LD15, LD8) 精轧, 分别控制道次变形量 (ε) 15%～40%, 减壁减径比 (Q值) 0.86～2.62, 然后测试不同冷轧管材的力学性能 (图2) 。研究发现, 当变形量15%～28%时, 管材强度增加, 延伸率迅速下降, 此时管材塑性对形变硬化非常敏感; 变形量大于28%时, 抗拉强度下降而延伸率增大, 这可能是因为经过大变形量加工后管材内部晶粒取向趋于一致而利于塑性变形; 而当变形量大于35%后, 屈服强度反而下降, 管材的延伸率继续增长, 这可能是出现了应力诱发马氏体或其他变形机制。

Q值是相对减壁量与相对减径量之间的比值, 控制Q值能改变织构取向, 进而对材料性能产生影响。研究证实: 沿管材横截面分布的径向织构有助于提高强度和塑性, 环向织构有利于提高工艺性能 ^[4] 。由图2可见, TLM合金管材冷轧过程中随Q值增大, 强度、塑性均下降。这种现象除了织构影响因素外, 也与不同规格薄壁细径管材的尺寸效应有关。

2 TLM合金的热处理及其典型显微组织

通过对TLM合金经过不同热处理, 确定了合金在不同状态下的显微组织 (表3 ^[5] , 图3) 。图3 (a) 是合金在β相区热轧后典型的加工态组织, 含有大量破碎的初生α相和β相。合金在β相区固溶后空冷主要形成等轴的亚稳β相 (β_ms) (图3 (b) ) 。在510 ℃时效时β_ms开始分解, 在晶粒内部形成大量密集次生α相 (α_s) , 并呈现点状和细针状分布 (图3 (c) , (d) ) 。 α_s相自身具有强化效应 (弥散强化和细晶强化) , 因此通过控制α_s相析出的尺寸与数量可以使材料综合力学性能得到大幅调整。

图2 变形量 (ε) (a) 和减壁减径比Q (b) 值对TLM合金管材力学性能的影响

Fig.2 Effect of working rates ε (a) and thickness/diameter Q (b) values on mechanical properties of TLM alloy tubes

表3 TLM合金在不同热处理下对应的典型显微组织

Table 3Microstructure of TLM alloy treated by different heat treatment

β相区固溶处理+快冷 (水或油淬)	亚稳β相、初生α相、马氏体α′相
β相区固溶处理+快冷+时效	次生α相、β相等
β相区固溶处理+空冷	亚稳β相、初生α相
β相区固溶处理+空冷+时效	次生α相、β相等
β相区固溶处理+炉冷	初生α相、次生α相和β相
α+β相区固溶处理+快冷或空冷	初生α相和β_转及马氏体α″相
α+β相区固溶处理+快冷或空冷+时效	次生α相和β相
α+β相区固溶处理+炉冷	次生α相和β相

3 TLM合金的典型力学性能

3.1 拉伸应力-应变行为

TLM合金在单向拉伸和循环变形过程中出现了低屈服应力、低弹性模量和高塑性应变现象 (图4) , 这与大多数常规钛合金相比有所不同。经过金相和X射线衍射分析发现, TLM合金在加载过程中出现了应力诱发马氏体α″, 并形成了一种特殊的典型韧性断裂特征 (图5) , 因而产生上述规律 ^[6] 。

3.2 高温拉伸力学性能

TLM合金的高温拉伸实验结果如图6所示, 可见温度高于700 ℃, 合金的抗拉强度R_m降至100 MPa以下, 变形抗力显著减小, 合金有较好的热加工性能, 便于锭坯和板、棒等材料产品热加工。

3.3 疲劳性能

经过1×10⁷循环, TLM合金的高周疲劳强度超过了510 MPa, 其S-N曲线如图7所示, 而在同样条件下测得Ti6Al4V (TC4) 合金的疲劳极限为350 MPa。

3.4 耐磨性能

耐磨性试验采用球形压头 (SiC) 绕试样 (15 mm×15 mm×1 mm) 转动, 转速为200 r·min^-1, 压下载荷36 g, 有关TLM等对比合金的摩擦系数见表4, 其表面形貌如图8所示。由图可以看出, 热处理制度对合金的耐磨性影响很大, 而TLM合金在固溶时效状态下耐磨性优于美国开发的新型近β型Ti13Nb13Zr医用钛合金。