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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0.001s-1~10s-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0.001s-1~0.1s-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α-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β-Ti的自扩散激活能,说明在900℃下的变形机制由β相的动态回复控制。在750℃、应变速率低于0.001s-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0.01s-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。