高壓固溶處理對β鈦合金微觀結(jié)構(gòu)與彈性模量的影響*

孫潤根，張德闖，林建國

(湘潭大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

新型β鈦合金具有優(yōu)良的生物相容性、較好的生物黏附性、良好的耐腐蝕性、抗疲勞性能等優(yōu)異性能，已成為一種極具臨床應(yīng)用前景的生物硬組織材料[1-3].然而β鈦合金彈性模量一般在80 GPa以上，與人體骨骼的最大值 30 GPa 相距甚遠(yuǎn)[4].從生物力學(xué)相容性來看，與人體骨骼相比，鈦合金的彈性模量遠(yuǎn)高于人體骨骼的彈性模量，會導(dǎo)致“應(yīng)力屏蔽效應(yīng)(stress shielding)”[1,5].因此，植入體與生物組織難以牢固結(jié)合，最終造成植入體的松脫、斷裂等失效行為.彈性模量等力學(xué)性能不匹配是β鈦合金臨床應(yīng)用面臨的主要問題之一.研究表明，高壓對金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能有著顯著的影響[6].例如，在高壓凝固條件下，Al-Mg合金顯微組織中原枝晶初生相變成胞狀，共晶相基底被抑制而消失[7]；5.5 GPa 1 400 ℃下石墨可轉(zhuǎn)化成了小粒度金剛石[8]；TZAV-30冷鍛合金經(jīng)高壓固溶處理，組織產(chǎn)生大規(guī)模α"相變，彈性模量顯著降低[9].因此，高壓固溶處理是一種有效的金屬材料性能優(yōu)化方法.本文以Ti-26Nb合金為研究對象，進(jìn)行95%的冷軋變形處理，然后5 GPa下進(jìn)行高壓固溶處理.研究高壓固溶處理對β鈦合金微觀結(jié)構(gòu)與彈性模量的影響規(guī)律，探索降低β鈦合金彈性模量的有效方法.

1 實(shí)驗方法

本實(shí)驗研究對象是Ti-26Nb(原子分?jǐn)?shù))合金.原材料為99.99%鈦材和99.95%鈮材，按照w(Ti)∶w(Nb)=59.45%∶40.55%進(jìn)行配比，所得原料用酒精超聲波清洗，除去油污雜質(zhì).合金錠選用真空熔煉爐制備，在氬氣氛圍下熔煉鈦、鈮金屬塊，為達(dá)到合金均勻化效果，鑄錠正反面熔透反復(fù)6次.采用雙棍軋機(jī)對鑄錠進(jìn)行冷變形，變形量95%.變形后樣品使用電火花線切割(DK88)處理成Φ10 mm的圓片，得到的圓片使用鉸鏈六面頂設(shè)備(CS-IB)進(jìn)行高壓固溶處理，固溶處理壓力分別為常壓和5 GPa，固溶處理溫度均為750 ℃，固溶處理時間均為30 min.

分別表征兩組固溶處理樣品相組成，采用XRD衍射儀(U1tima IV)，靶材為Cu-Kd，管電壓為40 kV，管電流為200 mA.分別表征兩組固溶處理樣品的SEM顯微組織，樣品依次用400#、600#、800#、1200#、1500#、2000#鷹牌水磨砂紙打磨，之后拋光機(jī)采用5000#拋光膏對樣品拋光，完成后的樣品使用腐蝕劑(V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=5%∶10%∶85%)腐蝕金相組織，后用SEM(JSM-6360)顯微成像.采用TEM表征5 GPa高壓固溶處理樣品的微觀組織，樣品使用電火花線切割處理成Φ3 mm圓片，2000#水磨砂紙打磨圓片至30 μm，后采用電解質(zhì)(V(H2SO4)∶V(CCH3OH)=10%∶90%)在電解雙噴儀(DJ-2000)中持續(xù)減薄至2 μm以下，后運(yùn)用TEM(JEM-2100)表征微觀組織.分別表征兩組固溶處理樣品彈性模量，按照SEM制樣要求，將樣品打磨拋光后采用納米壓痕儀測量彈性模量，載荷50 mN,保載2 s.分別表征兩組固溶處理樣品維氏硬度，維氏硬度計(HV-1000)測試載荷300 g，保載5 s.

2 結(jié)果與討論

2.1 高壓固溶處理對β鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖1是常壓和5 GPa固溶處理后鈦合金的XRD圖譜.從圖中可以看出，常壓固溶處理后的鈦合金僅有β相衍射峰，而5 GPa固溶處理得到的鈦合金除了出現(xiàn)β相衍射峰之外，還有α"衍射峰.因此，常壓固溶處理后的鈦合金微觀組織僅由單一的β相組成，5 GPa固溶處理得到的鈦合金由β、α"兩相組成.由此可見，高壓固溶處理可顯著抑制了α"-β馬氏體逆相變.

圖2是常壓和5 GPa固溶處理后β鈦合金的掃描電鏡圖.由圖2可知，冷軋變形的β鈦合金經(jīng)固溶處理后均發(fā)生完全再結(jié)晶，得到均勻的等軸晶粒.其中，常壓固溶處理后的β鈦合金平均晶粒尺寸約32 μm，高壓固溶處理后的鈦合金平均晶粒尺寸約8 μm.仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，圖2(b)中有大量針狀馬氏體相存在.因此，高壓固溶處理可顯著細(xì)化合金的組織結(jié)構(gòu).

為了進(jìn)一步對高壓固溶處理后的β鈦合金的馬氏體相進(jìn)行分析，對該合金進(jìn)行了透射電鏡表征，如圖3所示.圖3(a)、(b)分別是5 GPa固溶處理后β鈦合金馬氏體相明場像和高分辨圖.由圖3可知，馬氏體相形貌為針狀，緊密排列，其晶面為α" (022)，晶格取向為α" [100].同時由馬氏體相高分辨圖發(fā)現(xiàn)，5 GPa固溶處理組織存在微區(qū)孿晶，這是由于高壓抑制形變儲能釋放，導(dǎo)致位錯運(yùn)動能力降低，發(fā)生低于一個原子間距的位移，形成孿晶[11-12].

2.2 高壓固溶處理對β鈦合金彈性模量的影響

圖4是常壓和5 GPa固溶處理后β鈦合金的彈性模量與顯微硬度變化圖.由圖可知，常壓固溶處理后的鈦合金的彈性模量和硬度分別為74.58 GPa、159.56 HV.5 GPa固溶處理后的鈦合金的彈性模量和硬度為52.98 GPa、137.80 HV，分別下降了21.6 GPa、21.76 HV.這是因為β鈦合金經(jīng)高壓固溶處理產(chǎn)生大量馬氏體所致.β-α"馬氏體相變過程中，體積增大，原子間距增大，原子之間鍵合力減小，彈性模量降低.高壓固溶處理會降低該值并導(dǎo)致彈性模量下降，該研究結(jié)果與燕山大學(xué)于棟利教授高壓固溶處理TZAV-30合金的結(jié)果是一致的[9].

3 結(jié)論

分別在常壓和5 GPa下對冷軋變形量為95%的β鈦合金進(jìn)行固溶處理，研究高壓固溶處理對β鈦合金微觀結(jié)構(gòu)與彈性模量的影響規(guī)律，探索降低β鈦合金彈性模量有效方法.研究結(jié)果如下：

(1) 高壓固溶處理對β鈦合金微觀結(jié)構(gòu)影響顯著.常壓固溶處理的鈦合金微觀結(jié)構(gòu)由單一的β相組成，而5 GPa固溶處理得到鈦合金由β和α"兩相組成.高壓固溶處理可降低微觀結(jié)構(gòu)尺寸，5 GPa固溶處理得到的鈦合金組織由小于10 μm的β相微晶和針狀馬氏體組成.

(2) 高壓固溶處理可降低合金的彈性模量.經(jīng)5 GPa固溶處理的β鈦合金彈性模量為52.98 GPa，明顯低于常壓固溶處理的β鈦合金.這是因為β鈦合金經(jīng)高壓固溶處理產(chǎn)生大量馬氏體，與β相相比，馬氏體體積增大，導(dǎo)致原子間距增大，原子之間鍵合力減小，彈性模量降低.