生物医用Ti-6Al-7Nb合金热变形行为及热处理工艺研究

论文摘要

生物医用Ti-6Al-7Nb合金以其与人体骨骼相近的弹性模量、良好的生物相容性和综合的力学性能,越来越广泛的应用于外科植入体。外科植入产品在最终使用前须进行热加工成型和热处理,而热变形工艺参数对材料的塑性变形能力和显微组织有着重要的影响。本文主要目的是优化Ti-6Al-7Nb合金规模化生产的热加工工艺和热处理工艺以便使材料具有良好的热加工性和提高其力学性能。本文研究了变形温度在750℃-900℃,应变速率在0.001 s-1-10 s-1范围内的热压缩应力—应变规律,利用金相显微镜和透射电镜对热变形后的微观组织进行了观察,通过计算表观变形激活能分析了Ti-6Al-7Nb合金在热压缩过程中的变形机制。研究结果表明：流变应力在经历加工硬化阶段后均表现出流变软化现象,在较低应变速率0.001s1-～0.1s-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1s-1-10s-1变形时,流变软化主要是由绝热效应造成的。根据Arrhenius方程计算出在750℃-850℃下的表观变形激活能约为200kJ/mol,非常接近于α—Ti的自扩散激活能,表明在750℃-850℃的变形由×—Ti自扩散参与的动态再结晶控制。在900℃下表观变形激活能约为130kJ /mol,低于p—Ti的自扩散激活能,说明在900℃下的变形机制由p相的动态回复控制。在750℃、应变速率低于0.001 s-1时可发生超塑性变形。综合考虑变形行为与组织细化因素,温度在750℃-900℃,变形速率在0.01 s-1-0.1s-1范围为良性热加工区域。Ti-6Al-7Nb合金作为承重型外科植入品耐磨性相对较差,本文通过不同的热处理工艺：普通退火、双重退火和固溶+时效处理来探索提高合金硬度的最佳方法。采用二次退火处理能使合金硬度显著提高,综合考虑退火工艺成本和对合金性能的影响,700℃／1h／AC+500℃／4h二次退火处理工艺最佳。提高固溶温度和时效温度,延长时效时间显著增大合金硬度,在950℃固溶+600℃时效6h后合金硬度最高,达到330HV。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 生物医用金属材料的研究意义
• 1.2 生物医用材料概述
• 1.2.1 生物医用材料的分类
• 1.2.2 生物医用材料应具备的性能
• 1.2.3 生物医用材料的发展
• 1.3 钛与钛合金简介
• 1.4 生物医用钛合金的发展
• 1.5 钛合金的热处理工艺
• 1.5.1 钛合金热处理工艺简介
• 1.5.2 实用钛合金的热处理工艺
• 1.6 本课题的研究意义及内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 合金材料
• 2.2 α/β相变点测定
• 2.3 热模拟工艺
• 2.4 热处理实验
• 2.5 拉伸试验
• 2.6 金相样品制备
• 2.7 TEM薄膜试样制备
• 2.8 硬度测试
• 第3章 （α+β）两相区热压缩变形行为
• 3.1 合金的（α+β）/β转变温度测定意义
• 3.1.1 膨胀法测（α+β）/β相变点结果
• 3.2 热压缩变形实验
• 3.2.1 热变形参数对真应力—真应变曲线的影响
• 3.2.2 高温变形动力学分析
• 3.2.3 热变形组织形态
• 3.2.3.1 温度对热变形组织的影响
• 3.2.3.2 应变速率对热变形组织的影响
• 3.2.4 变形机制分析
• 第4章 热处理对合金组织与性能的影响
• 4.1 退火处理实验结果与分析
• 4.1.1 合金原始组织
• 4.1.2 退火温度对合金组织的影响
• 4.1.3 退火条件对高温塑性的影响
• 4.1.4 双重退火对合金微观组织的影响
• 4.2 固溶和时效处理后的组织变化
• 4.2.1 固溶处理后的显微组织
• 4.2.2 时效温度对合金组织的影响
• 4.2.3 时效时间对合金组织的影响
• 4.2.4 时效条件对合金硬度的影响
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢