医用Ti-Nb-Zr-Ta-Si合金的粉末热挤压工艺优化及组织性能研究

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钛及钛合金具有高比强度、良好生物相容性和低弹性模量等优点,广泛应用于医疗领域。其中,Ti35Nb7Zr5Ta合金是最具代表性的β型医用钛合金之一。在Ti35Nb7Zr5Ta合金中加入Si,有利于提升钛合金的强度与生物相容性。因此,本课题以(Ti35Nb7Zr5Ta)100-xSix(x=0,1.4,2.3,wt.%,后续简称TNZT-x Si)雾化预合金粉末为原料,采用粉末热挤压技术成形β型钛合金。论文对钛合金的粉末热挤压工艺进行了优化,并系统研究了Si含量对TNZT-x Si合金的显微组织、力学性能、耐腐蚀性能和体外磷灰石形成能力的影响规律。不同热挤压温度成形的TNZT-2.3Si合金物相组成相同,均为β-Ti基体相和六方结构的S2相。S2相呈椭圆状均匀分布于β-Ti基体中。随着挤压温度从1050℃上升至1150℃,S2相尺寸、再结晶晶粒尺寸及其体积分数均增大,而合金抗拉强度和断裂应变均表现为先上升后下降的变化趋势。随着挤压比从4.5上升至14.2,S2相逐渐沿着挤压方向发生定向排列。挤压过程中合金基体发生两种类型的动态再结晶:不连续动态再结晶和连续动态再结晶。随着挤压比增大,<110>方向的织构强度先增大后减小,合金屈服强度先上升再下降,而断裂应变的变化趋势则与之相反。在挤压温度为1100℃和挤压比为λ=9.0的参数下成形的TNZT-2.3Si合金具有优良的综合力学性能,抗拉强度,断裂应变和弹性模量分别为980±8 MPa,9.5±0.4%和78.9±1.9 GPa。相比于铸造TNZT-2.3Si合金,该合金抗拉强度的提高超过400 MPa。经过理论计算,晶界强化和第二相强化对屈服强度提升的贡献最大,分别为30.4%和42.8%。随着Si含量从0上升至2.3 wt.%,TNZT-x Si合金S2相含量逐渐增多。S2相可以促进β-Ti合金在热挤压过程中的动态再结晶形核,因而有效提高再结晶晶粒体积分数,显著细化基体晶粒尺寸。随着Si含量从0上升至2.3 wt.%,钛合金抗拉强度和弹性模量都逐渐升高,断裂应变逐渐下降。TNZT-1.4Si合金具有优异的综合力学性能,抗拉强度达到938±6 MPa、断裂应变达到16.7±1.5%和弹性模量为64.7±1.4 GPa。TNZT-x Si合金在模拟体液中的耐腐蚀性能优于Ti6Al4V合金。TNZT-x Si合金的腐蚀形貌中均无明显点蚀坑,而Ti6Al4V合金表面出现部分点蚀坑。随着Si含量0上升至2.3 wt.%,TNZT-x Si合金的耐腐蚀性能逐渐增强。TNZT-2.3Si合金具有最优异的耐腐蚀性能,自腐蚀电位为-0.224 V,自腐蚀电流密度为21.94μA/cm~2。TNZT-x Si合金的耐腐蚀性能优于Ti6Al4V合金的主要原因是合金表面形成的Ti O2、Nb2O5、Zr O2和Ta2O5钝化膜比Ti6Al4V合金表面的Ti O2、Al2O3和V2O5钝化膜更有利于减缓腐蚀。模拟体液浸泡实验结果表明,TNZT-x Si合金的体外磷灰石形成能力均优于Ti6Al4V合金,据此初步预测TNZT-x Si合金有更良好的体内骨生物活性。
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