亚稳β型Ti-Nb-Ta-Zr-O合金的显微组织与性能

论文摘要

2003年,斋藤等人研发出一组组分为Ti3（Ta+Nb+V） + （Zr、Hf） + O的新型多功能亚稳β钛合金。这组钛合金在室温下经过强变形后,不但同时具有高强度和低弹性模量,还具有超弹性、超塑性等诸多超级性能,是一种潜在的医用生物材料。斋藤等人认为这组亚稳β钛合金之所以具有这些优良性能,是因为它们具有一种特殊的塑性变形机制―无位错塑性变形机制。本研究采用冷坩埚悬浮熔炼法制备了这组亚稳β钛合金的一种,其名义成分为Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-O （at.%, TNTZO）,并系统研究了固溶态TNTZO合金在塑性变形后的显微组织及随后再结晶退火过程中的显微组织演变,分析了合金的变形机制,并考察了该合金的力学性能、物理性能和耐腐蚀性能。研究结果表明:经过室温塑性变形后,TNTZO合金中β相保持稳定,没有应力诱发马氏体相变发生。经较大程度压缩变形后合金具有比较明显的<100>和<111>双织构。由于在冷旋锻过程中晶粒处于平面应变条件,因而经90%冷旋锻变形后, TNTZO合金的显微组织由大量平行于旋锻轴向的板条组织构成。这些板条扭曲并相互环绕,在垂直旋锻轴向的截面上形成由细小纤维状组织交织而成的大理石花纹状组织,同时合金中产生强烈的<110>丝织构。TEM观察结果表明变形后TNTZO合金中出现了高密度的位错聚集。因此,TNTZO合金仍然通过传统的位错滑移机制进行塑性变形,而不是通过所谓的无位错机制进行塑性变形。TNTZO合金的再结晶动力学曲线具有典型的“S”曲线特征,表明TNTZO合金的再结晶是典型的形核长大过程。经90%冷旋锻变形的TNTZO合金的再结晶激活能约为180 kJ/mol。TEM观察结果表明TNTZO合金的回复通过多边形化机制进行,再结晶通过形核长大机制进行。随着退火时间的延长,TNTZO合金中小角晶界数量减少,CSL晶界和大角随机晶界数量增多,并出现退火孪晶界。由于再结晶晶粒不遵循定向长大机制,因而再结晶完成后合金中的晶粒取向趋向于随机分布,不存在明显的织构。TNTZO合金具有与普通金属相同的回复与再结晶机制,其回复与再结晶过程与位错的运动密切相关,这从另一个方面表明TNTZO合金通过传统的位错滑移机制进行塑性变形。由于织构的存在,变形态TNTZO合金的弹性模量降低;而合金的弹性回复率升高,表现出超弹性行为。在820℃退火5分钟后,由于发生了再结晶,TNTZO合金的弹性模量恢复到固溶态合金的水平。冷旋锻态TNTZO合金在400℃以下具有很低的线膨胀系数,小于5×10-6 K-1,而在820℃再结晶退火5分钟后,合金的线膨胀系数急剧升高,达到约9×10-6 K-1。DSC曲线上吸热峰的出现表明合金在约400～480℃温度区间存在相变。在林格溶液中,TNTZO合金的钝化膜主要由Ti、Nb、Ta和Zr元素的氧化物组成。被Nb、Ta和Zr的氧化物改性的TiO2钝化膜比被Al和V的氧化物改性的TiO2钝化膜更稳定且具有更好的保护作用,因而TNTZO合金具有比Ti-6Al-4V合金更优异的耐蚀性。由于应变和织构的存在,塑性变形对TNTZO合金腐蚀性能的影响比较复杂。较小程度的变形引起TNTZO合金腐蚀性能的恶化,但是经过较大程度变形的合金样品反而具有与固溶态合金样品相近的耐蚀性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛合金的发展及其力学性能
• 1.3 钛合金的耐腐蚀性能
• 1.4 钛合金的设计与制备
• 1.4.1 钛合金的设计
• 1.4.2 钛合金的制备
• 1.5 无位错塑性变形理论
• 1.5.1 一组具有“无位错塑性变形机制”的亚稳β钛合金
• 1.5.2 纯金属中的无位错塑性变形
• 1.6 选题背景及主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-O合金的制备与研究方法
• 2.1 引言
• 2.2 TNTZO 合金的制备方法
• 2.3 材料显微组织及性能分析测试方法
• 2.3.1 电子背散射衍射技术（EBSD）与晶界类型的划分
• 2.3.2 纳米压痕系统的基本构成及工作原理
• 2.3.3 推杆式热膨胀仪的基本构成与工作原理
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-O合金的塑性变形
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料及方法
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 固溶态TNTZO 合金的显微组织
• 3.3.2 固溶态TNTZO 合金的晶界特征分布与显微织构
• 3.3.3 TNTZO 合金的变形组织
• 3.3.4 冷变形对TNTZO 合金晶界特征分布的影响
• 3.3.5 冷变形对TNTZO 合金显微织构的影响
• 3.3.6 TNTZO 合金的变形机制
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-O合金的再结晶
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料及方法
• 4.3 实验结果
• 4.3.1 TNTZO 合金的再结晶动力学
• 4.3.2 TNTZO 合金的回复与再结晶机制
• 4.3.3 退火时间对TNTZO 合金晶界特征分布和织构的影响
• 4.4 TNTZO 合金的再结晶相关现象分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-O合金的力学及物理性能
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料及方法
• 5.3 TNTZO 合金的纳米压入行为分析
• 5.3.1 冷变形对TNTZO 合金硬度和弹性模量的影响
• 5.3.2 再结晶退火对TNTZO 合金硬度和弹性模量的影响
• 5.4 TNTZO 合金的热膨胀行为
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-O合金在林格溶液中的耐腐蚀性能
• 6.1 引言
• 6.2 实验材料及方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 TNTZO 合金在林格溶液中的耐蚀性
• 6.3.2 塑性变形对TNTZO 合金耐蚀性的影响
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 全文总结
• 7.1 主要结论
• 7.2 创新点
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文