热处理对SPS烧结Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金力学与电化学腐蚀行为的影响

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Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金(简称Ti2448)一种新型生物医用亚稳p型钛合金,在生物医用植入材料领域具有广阔的应用前景。放电等离子烧结技术(简称SPS)具有升降温速度快、烧结时间短、烧结温度低、烧结体致密度高等优点,利用其制备生物医用Ti2448合金,可以有效改善传统真空熔炼法制备合金过程中由于Nb、Zr等高熔点元素加入导致的成分偏析和组织不均匀等问题。利用SPS烧结制得合金具有较高的致密度(98%以上)和抗压强度(1500MPa以上),弹性模量在40-48GPa,但SPS烧结Ti2448合金的屈强比在0.8左右,塑韧性相对较差,影响了合金的冷成形能力以及发生屈服变形后抵抗破坏的能力。通过热处理来调整合金的显微组织,可以进一步改善合金的塑韧性,获得优良的力学相容性。而作为医用植入材料,不仅要求具有与人骨相匹配的力学性能,其在人体环境中的耐蚀性能也至关重要。因而需要对SPS制备Ti2448合金在模拟人工体液中的腐蚀行为进行进一步的研究。本论文采用放电等离子烧结技术制备了Ti2448合金,主要研究了热处理工艺对Ti2448合金显微组织、微观结构、力学行为及在人工模拟体液中的电化学腐蚀行为的影响,得出如下结论:SPS烧结制备Ti2448合金组织主要由β-Ti基体与少量α相组成。在相变点下(750℃)固溶处理后组织主要由β相、少量初生α相及次生淬火马氏体α"组成;随着固溶温度的升高,晶界α相厚度和数量均明显减小,并逐渐连续呈网状;β晶粒尺寸显著增大且细针状与颗粒状的次生α"相的析出减少。合金进行时效处理后,基体β相内析出大量细小无规则的针状次生a相,随着时效时间的延长,次生α相趋于定向析出,含量和尺寸逐渐增大,粗化成层片状。随着固溶温度的升高,SPS烧结制备Ti2448合金强度和弹性模量呈先升高后降低趋势,而塑韧性得到明显提升,屈强比从0.80降低到0.59。经过固溶时效处理后,合金的抗压强度和弹性模量均增大,而塑韧性呈先提高后降低趋势,屈强比从0.69升高至0.93。获得最佳固溶时效处理工艺参数为(850℃,1.5h, WQ)+(450℃,4h,FC),获得抗压强度1701MPa,屈服强度1166MPa,弹性模量42.8GPa,屈强比为0.69的力学性能。SPS烧结制备的Ti2448合金抗压强度、弹性模量及塑韧性达到最佳配合,与烧结态合金相比,合金的塑韧性得到明显改善。SPS烧结制备Ti2448合金与TA1和TC4合金相比,在37℃C的Hank’s溶液中具有就较小的腐蚀电位与致钝电流密度、接近的腐蚀电流密度以及最大的极化电阻,显示了良好的耐腐蚀性能,其耐蚀机理是由于具有高的致密度、单相β型组织以及表面稳定复合氧化物钝化保护膜。合金经过固溶时效处理后,由于β晶粒的长大和细小次生α相的稳定析出,晶界α相厚度和数量降低,α相与β相界面积减小,合金组织均匀化程度提高,耐蚀性能进一步提高。
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