医用钛合金热变形行为研究.pdf

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M金eta属lM材ater料ialsl2016葺T第¨期医用钛合金热变形行为研究术张超，李伟，马琳，赵丰停(贵州大学材料与冶金学院，贵州贵阳550000)摘要：综述了国内外医用钛合金热变形行为的研究状况，探讨了医用钛合金热变形过程中流变应力的变化、动态再结晶和软化行为并指出医用钛合金今后的研究方向。关键词：医用钛合金热变形流变应力软化行为中图分类号：TG146．2+3文献标识码：A文章编号：1002—6886(2016)06—0085—04StudyonhotdeformationbehaviorofmedicaltitaniumalloyZHANGChao，LIWei，MALin，ZHAOFengtingAbstract：Theresearchresultsabouthotdeformationbehaviorofmedicaltitaniumalloyathomeandabroadwerereview．Thatthechangeofflowstressintheprocessofhotdeformationofmedicaltitaniumalloy，dynamicrecrystallizationandsol-teningbehaviorwerediscussed．Atlastpointouttheresearchdirectionofthemedicaltitaniumalloyinthefuture．Keywords：Medicaltitaniumalloy，thermaldeformation，flowstress，softeningbehavior0引言的科学意义和学术价值。1医用钛合金热变形研究现状钛合金因具有强度高、耐腐蚀性好、耐高温、无磁、焊接性能好以及优良的生物相容性等特点而被在研究材料的热变形过程中，如果材料的组织广泛应用于各个领域，自从20世纪60年代发生变化，其流变应力就会发生变化，因此高温状态Branemark将钛合金用作口腔种植体后，钛合金结时流变应力是研究材料热变形行为的指标之一，用束了单一作为航天材料的历史，钛合金开始在生物其来表示材料的变形能力。在热变形过程中，影响医用材料领域得到广泛的发展和应用¨。医用钛流变应力行为的三个因素为变形温度、应变量和应合金的发展经历了三个时期：OL型、+卢型和卢变速率。多年来学者们对改善医用钛合金的组织，型医用钛合金，其中型医用钛合金主要有纯钛和医用钛合金的热变形进行了大量的研究。这些研究Ti一6A1—4V，Ti一6A1—4V医用钛合金含有对人体对以后医用钛合金的生产具有指导性的意义。金哲有毒的元素Al和V，并且弹性模量与人体骨骼相比等分析了Ti一6A1—7Nb医用钛合金热变形过程弹性模量太高；Ot+型医用钛合金主要有Ti一5A1中在较低应变速率=0．001—0．100S时，材料的—25Fe和rri一6A1—7Nb，+／3医用钛合金不含对软化机制主要受O／动态再结晶影响，当应变速率较人体有毒的元素，弹性模量还是没有降低；型医用高如在=1～10s时，在热变形过程中材料基本钛合金由于弹性模量低，同时又具有较高的强度、耐不发生再结晶；计算出了不同温度下变形激活能，并磨性等特点，成为生物医用材料的主要研发方向。说明了不同温度下变形机制的主要控制因素和良性对医用钛合金进行热变形行为研究为改善其组织、热加工区域的应变速率范围。刘延辉等研究了优化其热加工工艺提供理论依据，因此对医用钛TC20医用钛合金并分析了该合金在变形温度750合金的热变形行为及变形机制的研究为钛合金在医～900℃和应变速率0．001～1．0S时，TC20的变疗领域的应用提供实践经验和技术基础，具有重要形行为及流变应力的变化规律；还分析了TC20合·85· 观弋嬲lMxIaodnedraniJMixaichiry金在不同应变速率和不同温度下组织变化规律。刘造成流变应力曲线在峰值以后呈现下降趋势。3)延辉等对TC20医用钛合金进行了热加工处理，锯齿形流变应力曲线的存在，高温时原子振幅较大分析了TC20医用钛合金材料的流变应力和微观组晶粒不断反复调整以有利于变形是流变曲线出现锯织受温度和应变速率的影响。郭爱红等研究了齿形波动现象，同时钛合金在热变形过程中还出现一Ti30Nbl3ZrO．5Fe医用钛合金的热变形行为，在了不连续动态再结晶行为导致曲线波动。钛合金热不同温度和不同应变速率下观察合金组织变化，并变形过程存在着动态再结晶临界应变，判断钛合金确定了相区的热变形方程、应力指数和激活能。热变形过程中是否发生动态再结晶的关键条件，准确把握钛合金热变形过程中的临界应变量是建立临2热变形理论基础界应变预测模型的关键¨卜”。医用钛合金变形加工按照温度划分可分为冷变加工硬化是钛合金变形过程中随着应变量的增形加_丁和热变形加_丁。热变形加工是金属材料在再加引起位错密度增加和位错运动，同时又可能有变结晶温度以上进行的塑性变形。医用钛合金热变形形孪晶生成，变形孪晶将钛合金基体分割成很多小过程主要有位错滑移、位错攀移所造成的变形；异号块，孪晶界存在能垒阻碍位错运动，阻碍钛合金塑性位错抵消所造成的变形；空位或间隙原子定向扩散形变，力学行为上表现为提高了医用钛合金材料强所造成的变形；晶界或界面移动所造成的变形。度，降低了塑性。动态再结晶是金属变形过程中随在变形过程中，位错数量增加和位错运动，由于位错着应变量的增加，通过再结晶的方式消除加工硬化运动会使部分位错消失或位错的重新排列。钛合金来达到相对平衡的一种过程，动态再结晶可分为部组织中位错密度越高，则位错运动中越容易发生相分动态再结晶和完全动态再结晶。互交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运动的障2．2热形变过程中的软化行为碍，造成位错塞积，产生形变能，应力继续增大软化医用钛合金热变形实验中，变形量不同，温度不行为加强，畸变能增大到形核所需的最小能量时在同，应变速率不同，真应力一应变曲线也会呈现多种晶界处就会形核并长大，部分位错消失，畸变能降形态。流变应力曲线可能呈现多种形状，可以用流低l9这个过程为动态回复。钛合金热变形变化过变应力曲线的不同来研究医用钛合金热变形行为，程的平衡状态决定了热变形过程中的应力应变。医从存在峰值应力流变应力曲线看，峰值应力以前真用钛合金热变形过程中存在着加工硬化，同时又存应力随着真应变的增加变化很大，说明峰值应力以在动态回复，因此钛合金热变形过程中存在加lT硬前加工硬化起主导作用；峰值应力以后真应力呈现化和动态再结晶两个过程¨。为了获得性能更好下降趋势或波动，形变继续进行，真应力稳定或波的生物医用钛合金材料，需对材料进行进行热变形动，说明应力峰值以后发生了动态再结晶，【141不连通过再结晶而获得满足使用的性能和组织。续动态再结晶造成软化行为。合金软化行为u分2．1流变应力为动态软化行为和静态软化行为。钛合金热变形过医用钛合金热变形中随着应力的增大不同温度程中温度比较高原子运动相对剧烈，钛合金组织中和应变速率的流变应力曲线存在差异，主要有三种产生位错的原子将有可能发生正常排列位错密度就曲线形式：1)当应力增加位错密度增加，位错运有可能降低，晶界和界面都可能运动重新正常排列动造成位错扎钉和位错塞积，引起加工硬化这个阶对位错运动的阻碍作用降低，消除部分加工硬化。段动态回复很小或不存在，加工硬化占主导地位，流钛合金热变形中存在形变能，形变能增大到形核临变应力曲线呈现上升趋势。2)单峰值型流变应力界值是晶粒就会依附亚晶或杂质相长出新的晶粒，曲线的存在，在峰值以前加工硬化占主导地位，因此发生动态再结晶，钛合金热变形软化行为，消除晶粒曲线上升趋势明显，但是在峰值以后呈下降趋势，说内部加工硬化。发生动态再结晶位错密度降低，位明随着变形的进行，位错密度不断增加，存在动态回错原子将正常排列，加工硬化部分被消除，力学性能复，软化行为增强，这个阶段软化作用占主导地位，得以恢复。低温时，主要依靠点阵缺陷运动和点缺·86· M金eta属lM材ater料ialslI20163~第t，期陷相互结合；温度高时，位错运动频率加大，位错通金相比于OL和+医用钛合金综合性能更优，弹过滑移和攀移相互抵消，位错密度得以降低。性模量与人体相近，研究口生物医用钛合金也成为研究医用钛合金主要方向之一。目前医用钛合金3模拟技术已有研究，部分医用钛合金已经投入医疗领域使模拟技术主要有物理模拟技术和数值模拟技用，但是口医用钛合金的综合性能还没有达到要求，术。这两种方法对评价工业方案对钛合金性能或成并且存在一些问题。医用钛合金存在的一些问题品质量的影响有着深远的意义。过去传统的检查方还需要进一步研究。不仅医用钛合金没有得到充法，不仅浪费了大量的人力和物力，而且还没有全面分研究，而且在整个医用钛合金领域的研究都还不的认识到钛合金在热变形过程中的变化规律。现代够充分，还需要进一步的探索，包括生物医用钛合金模拟技术的发展优化了钛合金的加工工业，节约了的设计方法、制备工艺和性能测试等方面的研究。大量的物力和人力资源。物理模拟技术把工业加工对生物医用钛合金组织、力学性能和生物相容性的过程再现于实验设备上，模拟来反映原型的一种研研究都还不够充分。目前应用到医疗领域的医用钛究方法，要求放大或缩小试样比例，或者简化条件，合金材料的生物相容性和耐磨性还没有达到想象中或者代用材料。钛合金在热变形过程中就可以应用的这么优异，还需要进一步研究，开发出综合性能更物理模拟技术来研究钛合金的变化规律，利用实验好更廉价的生物医用钛合金。设计出更好的生物医装置呈现出医用钛合金热加工过程中的受热和受力用钛合金的设计方法、制备工艺和性能测试的方法，的过程，揭露出医用钛合金热变形过程中的组织变为以后新型医用钛合金的研发打下基础。医用钛合化和性能变化规律。随着物理模拟技术的发展金研究方向勉J：1)研究廉价和性能优异的口医物理模拟实验装置也在不断更新，目前世界广泛使用钛合金，医用钛合金虽然已经应用到医学领域，用的物理模拟实验设备是美国动态公司开发和生产但是价格昂贵，各方面性能还不够完善。2)研究合的Gleeble系列热模拟机。该热模拟机热变形加工金元素对生物医用钛合金综合性能。3)国内应用模拟采用计算机控制的液压待服系统、负荷传感器的生物医用钛合金大多依赖进口，我国应该加强对及激光测变形系统、冷却系统、电阻加热系统、ISO—生物医用钛合金的研究，尽快能自主生产综合性能T压头和激光夹头系统及低值力测力夹头系统。优异并且廉价的生物医用钛合金材料。4)大力开数值模拟技术是利用数值分析医用钛合金在热变形发材料表面改性的研究，提升材料的生物相容性过程中组织和性能变化规律l1。三维模拟技术的和耐磨性。发展，数值模拟也逐渐走向成熟化，数值模拟软件的5结语开发促进了数值模拟在钛合金热变形工艺过程中的应用。模拟技术的发展为研究医用钛合金材料的性生物医用钛合金热变形行为因合金成分、热变能有着指导性的意义。形参数和初始组织的不同而不同。+生物医用钛合金热变形实验中，相区和相区都发生形变，4医用钛合金研究方向在热变形过程中出现绝热效应发生部分相变。医随着人们生活水平的提高，人们对自身健康问用钛合金热变形行为在低温和高应变速率下主要通题也越来越关注，世界人口老年化问题严重，医疗领过位错攀移和位错交移实现动态回复；高温低应变域对生物医用材料的需求加大，研究生物医用钛合速率变形机制主要为位错滑移J。研究医用钛合金具有广阔的应用前景。研究生物相容性更好、弹金热变形的流变应力曲线，可以得出钛合金在热变性模量更低的新型生物医用钛合金来满足医用领域形过程中的组织变化和各阶段是否发生再结晶，近的需求，也成为当今世界研究医用材料的主要方向年来开发了多种性能优异的|8医用钛合金，但目前之一。就目前的研究现状来看，医用领域使用最多临床广泛使用的材料仍然为纯钛和Ti一6A1—4V合的钛合金材料仍然是Ti一6A1—4V，而／3医用钛合金为主，且因其主要存在弹性模量与人体骨骼相差·87· 观弋职。摘lMxioadnedraniMJixaicehinery太大，力学不相容，耐腐蚀性能差等问题，故钛合金业纯钛动态再结晶行为[J]．功能材料，2014(7)：7074～7078．在医疗领域研究还不够充分，造成了钛合金在医疗[13]欧阳德来，鲁世强，崔霞，等．应用加工硬化率研究领域应用的限制。生物医用钛合金热变形的目的是TA15钛合金B区变形的动态再结晶临界条件[J]．通过发生动态再结晶来获得满足使用要求的性能和航空材料学报，2010，30(2)：17—23．组织但还存在着众多问题，需要进一步探索。[14]陈如欣，许剑欧，邓立信，等．金属塑性成型理论研究的进展[J]．固体力学学报，1982(1)：137—145．参考文献[15]权国政，刘克威，王凤彪，等．7075铝合金热压缩动[1]李红梅，雷霆，方树铭，等．生物医用钛合金的研究进态软化行为的本构模型[J]．机械工程材料，2010展[J]．金属功能材料，2011，l8(2)：70—73．(10)：82—86．[2]王明，宋西平．医用钛合金腐蚀、力学相容性和生物相[16]侯会喜．钛合金锻造模拟成形技术发展现状[J]．长容性研究现状[J]．钛工业进展，2008，25(2)：13一沙航空职业技术学院学报，2008，8(1)：55—58．l8．[17]檀雯，王永强，李献民，等．模拟技术在钛合金热加工[3]王震，洪权，赵永庆．钛合金热变形行为研究[J]．钛中的应用与前景[J]．中国钛业，2014(2)：29—33．工业进展，2010，27(3)：13—18．[18]李杨．DYNAFORM数值模拟技术在钛合金热成型中[4]金哲，张万明．生物医用Ti一6A1—7Nb合金高温变形的应用研究[J]．军民两用技术与产品，2007(12)：行为研究[J]．稀有金属，2012(2)：218—223．35—36．[5]刘延辉，姚泽坤，等．生物医用TC20钛合金高温变形[19]吴义舟，郭爱红．生物医用钛合金发展和研究现状行为及本构关系[J]．材料工程，2014(7)：16—21．[J]．材料开发与应用，2010，25(2)：81—85．[6]刘延辉，宁永权，等．热加工_7-艺对医用TC20合金显[20]于思荣．生物医学钛合金的研究现状及发展趋势微组织的影响[J]．热加工工艺，2013，42(19)：1—[J]．材料科学与工程学报，2000．18(2)：23—25．4．[21]赵永庆．国内外钛合金研究的发展现状及趋势[J]．[7]郭爱红，余巍，等．医用B～TI30Nbl3Zr0．5Fe合金的热中国材料进展，2010，29(5)：1—8+24．变形行为[J]．中国有色金属学报，2010，20(1)：357[22]訾群．钛合金研究新进展及应用现状[J]．钛工业进—364．展，2008，25(2)：23—27．[8]SUN，S．，eta1．Hotdeformationbehaviorandmicrostruc—[23]陈昌佐，丁红燕，周广宏，等．医用钛合金表面改性及tureevolutionofTC4titaniumalloy『J]．Transactionsof其生物摩擦学的研究进展[J]．腐蚀科学与防护技NonferrousMetalsSocietyofChina，2010，20(11)：2181术，2014(1)：69—72．—2184．[24]强洪夫，王哲君，王学仁，等．一种新型亚稳B钛合金[9]CHEN，H．，eta1．Hotdeformationmechanismandmicro—的热变形本构模型[J]．稀有金属，2011，35(6)：structureevolutionofTC11titaniumalloyinpfield[J]．823～828TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina．2008，l8(5)：1021—1027．[10]张方哲，周清，童国权，等．生物医用Ti一29Nb一13Ta基金项目：贵州省科学技术基金项目(黔科合J字[2013]一5Zr合金的超塑性行为[J]．稀有金属材料与工2102号)。程，2011，40(2)：231—235．作者简介：张超(1992一)，贵州I铜仁人，男，本科生。[11]李宁，毛小南，雷文光，等．钛合金热压缩变形行为研究概况[J]．热加_T-工艺，2012，41(18)：28—30．收稿日期：2016—05—29[12]苏娟华，韩亚玮，任凤章，等．应用加工硬化率研究工·88·