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生物医用载体材料Ti-6Al-7Nb合金（α＋β）型双相钛合金高温变形行为研究
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司
更新时间：2013-05-27
生物医用材料是具有高技术含量和高经济价值的新型载体材料，是材料科学技术中一个正在发展的新领域。钛及钛合金因其密度小、强度高、弹性模量低、优良的耐腐蚀性和生物相容性而成为最优异的生物医用材料。早期外科植入的钛合金主要为纯钛和Ti-6Al-4V合金，但由于纯钛强度低，不能用作承重部分植入人体；Ti-6Al-4V合金强度过高，价格也较昂贵，最主要是含有对人体有害元素V，对单体细胞毒性大，能引发对呼吸器官分泌液的刺激性，并对造血系统有害。鉴于Ti-6Al-4V合金作为外科植入性生物医用材料的局限性，在1978～1982年由瑞士Sulzer医学技术公司成功研制外科植入生物钛合金Ti-6Al-7Nb，其力学性能和Ti-6Al-4V合金相当，但不含有毒元素V，经长期临床应用后，现已被世界医学界所承认，将逐步取代Ti-6Al-4V合金。Ti-6Al-7Nb是一种中等强度的（α＋β）型双相钛合金，具有良好的高温塑性，适合用作为复杂外科植入体。
随着等温锻造、超塑成形等先进的成形技术的不断发展，对钛合金高温变形行为进行研究变得尤为重要。钛合金在获得最终产品前，需要在β单相区或α＋β两相区进行热加工，而钛合金高温变形受应变、应变速率和温度的共同影响。合理的选择热加工参数对钛合金的加工性能（是否有裂纹、空洞和变形不均匀现象）和显微组织（晶粒尺寸、α相形态、β相形态和第二相分布）都能产生良好的影响，并且可以有效的提高加工速率、降低加工成本。近年来，为了提高钛合金零件的加工能力，各国学者对钛合金的高温变形行为以及成形性能做了大量的研究。但目前国际上对Ti-6Al-7Nb生物钛合金高温变形机制深入研究甚少。
科研人员采用Gleeble2000热模拟机对Ti-6Al-7Nb合金锻棒在不同温度和不同应变速率下进行高温单道次压缩试验，分析不同温度和应变速率对应力-应变曲线和组织变化的影响，探讨获得良好加工性能的热变形条件，利用Arrhenius方程计算热变形激活能，为制定合理的热加工工艺提供可靠的理论依据。
实验用料Ti-6Al-7Nb合金取自模锻棒材，原始状态为（α＋β）双相组织，化学成分（%，质量分数）：Al6.18，Nb7.07，Fe0.046，C0.027，Ti为基体。利用热膨胀法测出此合金α→β相变点温度约为1010℃。采用Gleeble-2000热模拟实验机进行恒温恒应变速率单道次热压缩实验。试样尺寸为Φ8mm×15mm的圆柱体，试样表面均磨光。实验变形温度分别为750、800、850、900℃，应变速率分别为0.001、0.010、0.100、1.000、10.000s－1，最大变形量70%。进行热压缩实验之前，试样两端面垫有薄Ta片，起润滑作用，加热速率为5℃·s－1，到温后保温5min，精确控制加热和保温温度（≤±5℃）；然后开始压缩。实验在氩气保护下进行，完毕后迅速取出试样空冷，以模拟实际热加工状态。利用光学显微镜和透射电镜观察变形后组织。实验结果如下：
（1）Ti-6Al-7Nb合金在较低应变速率0.001～0.100s－1变形时，软化机制主要归因于α相动态再结晶；而在较高应变速率1～10s－1变形时，流变软化主要是由“绝热”效应造成的。（2）温度变化对α相体积分数有重要影响；应变速率变化对α相体积分数影响不大，但对α相形貌有重要影响。（3）Ti-6Al-7Nb合金在750、800、850和900℃温度下变形激活能分别为209.25、196.01、194.01和130.40kJ·mol－1。（4）Ti-6Al-7Nb合金在温度750～850℃，应变速率为0.001～0.100s－1范围内变形机制主要为α相动态再结晶，在温度900℃变形时，应变速率0.001～0.100s－1范围内变形机制由β相动态回复控制。
综合考虑变形行为与组织细化因素，温度750～850℃，变形速率在0.010～0.100s－1范围内，为良性热加工区域。
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