简介概要

Ti-13Nb-13Zr合金力学性能和显微组织的研究

来源期刊：稀有金属2004年第1期

论文作者：王克光付艳艳周廉于振涛

关键词：Ti-13Nb-13Zr; 力学性能; 显微组织;

摘要：研究了Ti-13Nb-13Zr合金在β相区和(α+β)两相区固溶和时效处理后其合金力学性能及组织变化规律. 分析发现在β相区固溶的合金, 水冷时生成针状马氏体α′, 空冷时生成亚稳定β相和少量αp, 在(α+β)两相区固溶生成β转和αP. 在β相区和(α+β)两相区固溶试样经时效后, 晶粒内部主要析出点状和棒状αS. 在750 ℃/1 h固溶(WQ)和低温510 ℃/6 h时效的合金抗拉强度高、塑性较高、弹性模量低, 可以满足人体植入要求.

稀有金属 2004,(01),39-43 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.010

Ti-13Nb-13Zr合金力学性能和显微组织的研究

周廉于振涛王克光

东北大学材料与冶金学院,东北大学材料与冶金学院,西北有色金属研究院生物中心,西北有色金属研究院生物中心辽宁沈阳110004西北有色金属研究院生物中心,陕西西安710016 ,辽宁沈阳110004西北有色金属研究院生物中心,陕西西安710016 ,陕西西安710016 ,陕西西安710016

摘要：

研究了Ti 13Nb 13Zr合金在β相区和 (α +β) 两相区固溶和时效处理后其合金力学性能及组织变化规律。分析发现在β相区固溶的合金 , 水冷时生成针状马氏体α′, 空冷时生成亚稳定 β相和少量αp, 在 (α +β) 两相区固溶生成β转和αP。在 β相区和 (α +β) 两相区固溶试样经时效后 , 晶粒内部主要析出点状和棒状αS。在 75 0℃ /1h固溶 (WQ) 和低温 5 10℃ /6h时效的合金抗拉强度高、塑性较高、弹性模量低 , 可以满足人体植入要求

关键词：

Ti-13Nb-13Zr;力学性能;显微组织;

中图分类号： TG113

作者简介：于振涛 (Email:yayafyy@163.com) ;

收稿日期：2003-09-12

基金：国家高技术研究发展计划 ( 2 0 0 2AA3 2 60 70 ) 资助项目;

Mechanical Properties and Microstructures of Ti-13Nb-13Zr Alloy

Abstract：

The mechanical properties and microstructure of the alloy Ti 13Nb 13Zr, which is heat treated in the β phase field or α+β phase field solution treatment followed by aging were studied. Experiments indicate that the β solution treatment and water quenching result in the α′martensite while β solution treatment and air cooling lead to metastable β phase and primary α phase. The (α+β) solution treatment brings transformable β phase and primary α phase. The second α phase is observed under aged condition with the prior α and α+β solution treatment conditions. The alloy has good tensile strength, ductility and low elastic modules under 750 ℃/1 h ST (WQ) +510 ℃/6 h aging (AC) .

Keyword：

Ti 13Nb 13Zr; mechanical properties; microstructure;

Received： 2003-09-12

钛及其合金由于具有低弹性模量、优异的生物相容性和抗腐蚀性而大量地用于人体植入材料。早期的纯钛由于其强度低, 不能满足某些需较高强度承力件的要求, 从而引入了较高强度的Ti-6Al-4V和Ti-3Al-2.5V。近几年的研究发现, 元素V能诱发癌症, 其单体细胞毒性大, 而Al可引起潜在神经系统紊乱 ^[1] 。因此世界各国都致力于研究不含V和Al等有毒性元素的生物医用钛合金。

按照临床上对外科植入材料的要求, 作为植入体的医用钛合金要满足以下原则 ^[2,3,4] : (1) 不含对人体有害的合金元素, 具有良好的生物相容性; (2) 与人体皮质骨更为匹配的容许应变和弹性模量, 具有良好的生物力学相容性; (3) 具有σ_b=600～1000 MPa, δ≥14%, E≤90 GPa机械性能。

Ti-13Nb-13Zr合金是一种具有低弹性模量、高强度、高韧性、高疲劳强度和抗腐蚀性以及良好生物相容性等综合性能良好的近β型生物医用钛合金 ^[5] 。由于尚未有人针对该合金的机械性能和微观组织进行系统的热处理工艺的研究, 故本文主要研究不同热处理制度对Ti-13Nb-13Zr合金的力学性能和显微组织的影响。

1 实验

实验材料采用0级海绵钛, Nb和Zr以中间合金的形式加入, 按合金名义成分配料, 压制电极, 经2次真空自耗电弧炉熔炼而成5 kg铸锭。合金实际化学成分见表1。

研究表明, Ti-13Nb-13Zr合金的β转变温度为735 ℃ ^[5] , 故本实验对合金铸锭经β锻造开坯, 热锻和热轧成Φ12 mm的棒材。热处理工艺采取在β相区和α+β两相区进行固溶处理, 继而进行不同条件的时效处理, 其工艺见表2。用电子光学显微镜进行了不同组织状态的观察和照相。用ZWICK/Z150型电子拉伸机上进行室温拉伸实验。采用JSM-5800型扫描电镜对拉伸断口进行观察。

2 结果与讨论

2.1 合金的抗拉强度

合金经过不同的热处理工艺, 其抗拉强度变化如图1所示。由图可知, 经β相区和 (α+β) 两相区固溶处理后的试样抗拉强度都低于原始态试样。经时效处理后的试样, 随着时效温度的提高, 抗拉强度降低。经过750 ℃/1 h固溶 (WQ) 并经时效处

表1 Ti-13Nb-13Zr合金成份 (%, 质量分数)

Table 1 Chemiacl composition of alloy Ti-13Nb-13Zr

元素	Nb	Zr	Fe	Si	C	N	H	O	Ti
含量	14.6	13.3	0.02	<0.04	0.03	0.015	0.015	0.07	余量

表2 合金编号与热处理工艺

Table 2Serial numbers and heat treatment details of alloy

合金编号	热处理工艺
R	热轧态
βST/WQ	750 ℃/1 h固溶 (WQ)
βST/WQ+A₁	750 ℃/1 h固溶 (WQ) +510 ℃/6 h时效 (AC)
βST/WQ+A₂	750 ℃/1 h固溶 (WQ) +560 ℃/6 h时效 (AC)
βST/WQ+A₃	750 ℃/1 h固溶 (WQ) +610 ℃/6 h时效 (AC)
βST/AC	750 ℃/1 h固溶 (AC)
βST/AC+A₁	750 ℃/1 h固溶 (AC) +510 ℃/6 h时效 (AC)
βST/AC+A₂	750 ℃/1 h固溶 (AC) +560 ℃/6 h时效 (AC)
βST/AC+A₃	750 ℃/1 h固溶 (AC) +610 ℃/6 h时效 (AC)
α+βST/AC	680 ℃/1 h固溶 (AC)
α+βST/AC+A1	680 ℃/1 h固溶 (AC) +510 ℃/6 h时效 (AC)
α+βST/AC+A₂	680 ℃/1 h固溶 (AC) +560 ℃/6 h时效 (AC)
α+βST/AC+A₃	680 ℃/1 h固溶 (AC) +610 ℃/6 h时效 (AC)

图1 不同热处理对抗拉强度的影响 (1) 750 ℃/1 h ST WQ +时效; (2) 750 ℃/1 h ST AC +时效; (3) 680 ℃/1 h ST AC +时效

Fig.1 Influence of different heatments on ultimate tensile strength

理的试样, 其抗拉强度要高于其固溶态试样, 最高值达到840 MPa, 可见合金产生了明显的时效强化效应。而其它两种固溶处理后并时效的试样, 除680 ℃/1 h固溶 (AC) 后再时效510 ℃/6 h (AC) 的试样外, 其余试样抗拉强度均低于固溶态。究其原因, 可用Hall-Petch公式, 即σ_s=σ₀+Kd^-1/2进行初步解释, 即由于时效温度的提高导致晶粒长大, 抗拉强度降低。

2.2 合金的弹性模量

图2是在不同热处理条件下测得的合金弹性模量。由图可以看出, 经过固溶处理的试样, 其弹性模量低于原始态试样, 经750 ℃/1 h固溶 (WQ) 处理的试样弹性模量最低, 为69.7 GPa。这可能是由于加工态组织中形成的晶格畸变和应力应变场得以恢复引起的。时效后的试样其弹性模量均高于其固溶态试样, 弹性模量增加幅度为12.5%～26%, 而且弹性模量随抗拉强度的增加而普遍提高。

2.3 显微组织形貌分析

2.3.1 合金的热轧棒

在β相区进行热轧的Ti-13Nb-13Zr合金是典型的加工态组织 (见图3) , 该组织基体中主要存有因加工而破碎的 (α+β) 相。组织中的β晶界扭曲、断裂和缠结, 晶粒内部出现大量的弥散粒状α相, 这通过X射线衍射分析得以证实。详见图4所示。

2.3.2 β相区的固溶和时效处理

在β相区固溶后水淬处理的组织, 其绝大部分经β相转变为针状马氏体α′ (HCP晶格) ^[6] (图5 (a) ) 。在510 ℃时效时, α′开始分解成次生α相 (α_s) 和β相 (图5 (b) ) 。随着时效温度的提高, 开始形成细小弥散的点状和针状次生α相, 针状组织更加清晰和尖锐化。

图2 不同热处理制度对弹性模量的影响 (1) 750 ℃/1 h ST WQ +时效; (2) 750 ℃/1 h ST AC +时效; (3) 680 ℃/1 h ST AC +时效

Fig.2 Influence of different heatments on elastic modules

图3 热轧棒显微组织

Fig.3 Microstructure of rolled specimen

图4 热轧棒XRD谱图

Fig.4 X-Ray diffraction of the rolled specimen

在β相区固溶后空冷处理的试样, 组织内部主要是亚稳定α相和少量α_p (图6 (a) ) 。经时效后, 在亚稳定β相晶内析出点状和棒状α_s (图6 (b) ) 。随着时效温度的提高, 析出的点状和棒状α相数量增多, 且晶粒有长大趋势。

2.3.3 (α+β) 两相区的固溶和时效处理

在 (α+β) 两相区的固溶后空冷处理的试样, 其组织主要由转变β相和初生α_P构成 (图7 (a) ) 。时效后, 晶粒内部析出点状的α_s (图6 (b) ) 。随时效温度的提高, α相和β相趋向均匀。

2.3.4 拉伸断口

经750 ℃/1 h固溶 (WQ) 并经510 ℃/6 h时效 (AC) 处理后和680 ℃/1 h固溶 (AC) 处理的室温拉伸样品断口形貌如图8所示。 750 ℃/1 h固溶 (WQ) 并经510 ℃/6 h时效 (AC) 处理后合金断口芯部的韧窝比较深, 分布比较均匀, 因此合金此时既具有较好的抗拉强度, 又具有良好的塑性。 680 ℃/1 h固溶 (AC) 处理的合金在边部与过渡区交界处出现“河流状”浅窝, 浅窝分布、大小都比较不均匀, 所以合金此时的塑性较差。

图5 βST/WQ (a) 及βST/WQ+510 ℃ 时效 (b) 合金显微组织

Fig.5 Microstructures of (a) βST/WQ and aged at (b) 510 ℃ specimens

图6 βST/AC (a) 及βST/AC+510 ℃时效 (b) 合金的显微组织

Fig.6 Microstructures of (a) βST/ AC and aged at (b) 510 ℃ specimens

图7 α+βST/AC (a) 及 (α+β) ST/AC+510 ℃时效 (b) 合金的显微组织

Fig.7 Microstructures of (a) (α+β) STAC and aged at (b) 510 ℃ specimens

图8 βST/WQ+510 ℃时效 (a) 及 (α+β) ST/AC (b) 拉伸断口的合金 SEM扫描图

Fig.8 SEM microstructures of tensile fracture on (a) β ST/WQ+510 ℃ and (b) (α+β) ST/AC specimens

3 讨论

有研究表明 ^[7] , 合金的弹性模量及强度与合金中析出相的尺寸以及基体晶粒的大小等组织是密切相关的, 因此通过热处理合理调整合金的组织, 是平衡弹性模量和强度之间的关系、提高合金生物力学性能的重要手段。

植入体用Ti-13Nb-13Zr合金含有对人体无害的无毒Nb, Zr合金元素, 并且这两种合金元素能与Ti作用形成较强的键, 对合金塑性影响较小。本实验选取在680～750 ℃固溶处理的试样, 塑性较好, 弹性模量较低, 其抗拉强度 (750～790 MPa) 低于Ti-6Al-4V, 但作为植入体件应用而言, 抗拉强度是充分的。如果要获取较高σ_b, 最好选择750 ℃/1 h固溶 (WQ) 和低温510 ℃/6 h时效。人的皮质骨弹性模量只有7～25 GPa ^[8] , Ti-13Nb-13Zr合金弹性模量 (≤90 GPa) 低于纯态和Ti-6Al-4V (110 GPa) , 更接近人的皮质骨弹性模量。研究证明, 如果植入体弹性模量相对于骨骼过高, 在应力作用下, 承受应力的植入体和骨骼将产生不同的应变, 在金属与骨的接触面处出现相对的位移, 造成界面处的松动, 导致骨的吸收和功能退化 ^[9] 。因此就弹性模量和抗拉强度来看, Ti-13Nb-13Zr合金更适合作为医用植入体材料。

考虑到人体植入件要应用于人体不同的部位和使用性能要求, 应选择合适的最佳热处理工艺, 保证植入体件的各项力学性能和生物相容性。