● 摘要
钛合金由于具有良好的生物相容性、低密度、高强度、耐腐蚀等优点,作为新型的植入材料在生物领域得到广泛应用。而β型钛合金的模量低于α和α+β型钛合金,同时兼具有较高强度和耐磨性,因此在身体植入等医学材料方面具有更广阔的应用前景。因此新型β型钛合金的研制开发成为目前医用材料的开发重点。Ti50Zr30Nb10Ta10是一种低弹性模量高强度的新型β钛合金,是一种潜在的生物医用材料。因此对Ti50Zr30Nb10Ta10钛合金力学性能和超弹性性能的优化以及腐蚀机理的研究,对于该类合金的应用具有重要的意义。
轧制加工和固溶强化是提高钛合金力学性能的两种重要方法。通过研究轧制工艺对钛合金力学性能影响,选择出最佳的轧制工艺。同时加入微量的Al元素可以提高合金的强度,可以有望提高合金的超弹性性能。利用X射线衍射(XRD)、维氏硬度分析仪、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、透射电镜(TEM)、以及室温拉伸、电化学腐蚀等分析了钛合金材料的相组成、微观组织、力学性能、断口形貌、耐腐蚀性等。主要研究内容及结果如下:
研究了不同冷轧厚度变形量(0%、70%、80%、90%)对Ti50Zr30Nb10Ta10合金力学性能影响,发现当冷轧变形量70%时,合金的综合力学性能最优,抗拉强度达到1012 MPa,延伸率10%,弹性模量64 GPa,综合力学性能达到最佳匹配,因此确定最佳轧制工艺为70%厚度变形量。
研究了添加Al元素对合金力学性能影响。发现(Ti0.5Zr0.3Nb0.1Ta0.1)90Al10合金抗拉强度能够提高到1402 MPa,延伸率9%,弹性模量70 GPa,是一种高强度低模量的β型钛合金。结果表明,冷轧态以及退火态的Ti-Zr系合金在室温下表现出2%的超弹性。
对轧制态合金的耐蚀性研究发现,Ti50Zr30Nb10Ta10合金在1 mol/L的盐酸溶液中,出现稳定的钝化区,较低的钝化电流密度,耐腐蚀性能优异。(Ti0.5Zr0.3Nb0.1Ta0.1)95Al5耐蚀性与Ti50Zr30Nb10Ta10耐蚀性相当,而(Ti0.5Zr0.3Nb0.1Ta0.1)90Al10在0.83 V发生点蚀,耐腐蚀性有所下降。