TiNbZrTa β鈦合金冷變形特點及超彈性機理研究.pdf

1、由于鈦合金具有高的生物相容性、低密度、高強度、耐體液腐蝕等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于醫(yī)用領(lǐng)域。而具有低彈性模量且不含生物毒性元素的β鈦合金在身體植入等醫(yī)學材料方面具有更廣闊的應(yīng)用前景。從二十世紀九十年代開始,新型β鈦合金的研制開發(fā)就成為醫(yī)用材料的開發(fā)重點。就目前來看,Nb、Ta、Zr和Sn等元素具有較好的生物相容性,對身體具有較小的毒性。形狀記憶和超彈性性能的優(yōu)化對于該類合金的應(yīng)用具有重要的意義。一般來講,馬氏體孿晶,晶粒取向和織構(gòu),析出相以及晶

2、粒度對超彈性有重要的影響。而對于該類合金來講,冷變形和超彈性機理的研究還不系統(tǒng),深入。研究在冷變形過程中的馬氏體轉(zhuǎn)變特征和變形亞結(jié)構(gòu),對于進一步了解該類合金超彈性,形狀記憶效應(yīng)有重要的作用。本論文所研究的合金為TiNbZrTaβ鈦合金。選擇不同的冷變形方式變形后,研究合金的冷變形機制,馬氏體轉(zhuǎn)變量和轉(zhuǎn)變特點以及機械性能的變化規(guī)律。通過對冷變形和熱處理的織構(gòu)的分析,討論織構(gòu)的形成特點。分析織構(gòu)對合金超彈性各向異性的影響規(guī)律。此外,對冷變形

3、試樣在不同溫度進行熱處理,研究時效過程中的析出相對形狀記憶效應(yīng)及力學性能和的影響。
　　 在對TiNbZrTaβ鈦合金冷變形特點進行深入系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上,在合金中加入稀土元素,稀土的加入能夠在凈化基體合金,細化晶粒,提高合金的形狀記憶效應(yīng),同時還能降低基體鈦合金中的氧含量生成硬質(zhì)相稀土氧化物(RE2O3)。已有研究表明,TiB是鈦基復(fù)合材料中最優(yōu)良的增強體之一,能有效提高鈦基復(fù)合材料的強度。而增強體對β鈦合金形狀記憶效應(yīng)的影響卻

4、鮮為報道。利用真空電弧爐熔煉技術(shù),合成分布有少量TiB,La2O3顆粒的β鈦合金,可以使合金獲得好的強度和形狀記憶效應(yīng)。添加不同量的LaB6對TiNbZrTaβ鈦合金的超彈性和機械性能的影響也將作為本論文的研究重點。利用Ti與LaB6的反應(yīng),通過真空電弧熔煉,原位合成TiB和稀土氧化物La2O3增強的鈦基復(fù)合材料,研究了增強體顆粒在合金細化方面的作用,探討了添加不同含量的LaB6對合金力學性能的影響以及在改善形狀記憶效應(yīng)方面的作用。

5、r>　　 主要研究結(jié)果如下:
　　 采用單向軋制和交叉軋制兩種不同變形方式研究了不同變形量下的材料微結(jié)構(gòu)特征,分析了不同變形方式后的馬氏體變體特征。研究發(fā)現(xiàn),在單向軋制過程中,馬氏體由針狀的具有平直邊界的細小層狀組織逐漸變化為“蝴蝶狀”馬氏體,外觀形貌為平行于軋制方向的粗大的片體,并隨著冷變形率的繼續(xù)增大,這種粗大的片體沿著軋制方向呈交織狀擴展。在交叉軋制過程中馬氏體的變化特點與單向軋制有相似的規(guī)律,但是由于交叉軋制切應(yīng)力的作

6、用,使得馬氏體生長沒有明顯的方向性。在單向軋制過程中,當冷變形率為99％時,馬氏體的最大轉(zhuǎn)變量為78.93％左右。而交叉軋制過程中,當冷變形率為40％,馬氏體的轉(zhuǎn)變量達到79.63％,并且隨著冷變形量的增大,馬氏體的相對含量基本保持不變,交叉軋制過程中的應(yīng)力特點更有利于馬氏體的轉(zhuǎn)變。使得沿各個方向的組織更加均勻。在冷軋過程中,隨著冷變形率的增大,應(yīng)變誘發(fā)馬氏體經(jīng)歷了形核,長大,穩(wěn)定化的過程。馬氏體所涉及的變形機制為馬氏體變體內(nèi)部微孿晶的

7、出現(xiàn)及長大_微孿晶的合并與再取向→馬氏體內(nèi)部新孿晶變體的引入。
　　 冷變形過程中產(chǎn)生的β相織構(gòu)和應(yīng)變誘發(fā)馬氏體a"相織構(gòu)對材料的彈性模量和超彈性特征有重要影響。彈性模量和超彈性的各向異性是由于織構(gòu)的各向異性所致。在單向軋制過程中,隨著冷變形率的增大,出現(xiàn)較強的{100}β<011>β織構(gòu)。在90％冷變形試樣中出現(xiàn)明顯的應(yīng)變誘發(fā)(200)α“<010>α”馬氏體織構(gòu)。不同織構(gòu)的出現(xiàn)使得沿著各個方向試樣的轉(zhuǎn)變應(yīng)變表現(xiàn)出明顯的各向異

8、性。
　　 在冷變形熱處理過程中,在573K出現(xiàn)亞穩(wěn)定相ω,在673K到873K熱處理時出現(xiàn)α相。在573K效后,細小彌散分布的ω相增加了合金的臨界滑移應(yīng)力,可明顯提高合金的超彈。99％冷變形試樣在873K熱處理1.2ks后沿著軋制方向,與軋向呈45°方向和垂直于軋向的織構(gòu)相比較冷軋變形99％的變化不大。出現(xiàn)強的{100)<011>織構(gòu)。冷變形試樣在1223K熱處理1.2 ks后,冷變形織構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閧112)<011>再結(jié)晶織構(gòu)。

9、冷變形{100}<011>織構(gòu)在熱處理過程中逐漸轉(zhuǎn)化為{112}<011>再結(jié)晶織構(gòu)。再結(jié)晶時的核心與冷變形態(tài)試樣有基本相同的位向是由于再結(jié)晶形核靠晶界弓出,亞晶界遷移長大的機制中所形成的核心都與形變基體有相同的位向。將1223K熱處理試樣拉伸變形5.5％出現(xiàn)條狀變形孿晶和自協(xié)作針狀應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相。這種應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體相在加熱后轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶?使得合金出現(xiàn)明顯的形狀記憶效應(yīng)。
　　 利用原位自生技術(shù),在β鈦合金中合成TiB和R

10、e2O3,來提高合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性?；w材料采用本論文所做的Ti-35Nb-3Zr-2Ta合金。在試驗中添加質(zhì)量分數(shù)分別為0.1％,0.2％,0.3％,0.4％和0.5％的LaB6粉末,經(jīng)過原位反應(yīng)后生成TiB晶須和La2O3增強體顆粒。在0.1％LaB6添加試樣中,原位反應(yīng)生成的TiB晶須主要出現(xiàn)在晶界上,使得試樣的強度有顯著的提高。隨著添加LaB6量的增多,可觀察到較多的TiB晶須和La2O3球狀粒子。逐漸增多的La2O3顆

11、粒細化了晶粒,使得在0.5％LAB6添加試樣中晶粒尺寸細化到12um。在0.1％和0.2％LaB6添加試樣中,材料表現(xiàn)出好的超彈性應(yīng)變和純彈性應(yīng)變。在0.5％LAB6添加試樣中,由于晶粒的細化,使得試樣的超彈性應(yīng)變值最大。在原位反應(yīng)過程中產(chǎn)生的TiB晶須增加了臨界滑移應(yīng)力。因此,在拉伸過程中,較低的外加應(yīng)力就可使得試樣發(fā)生β相向馬氏體相的轉(zhuǎn)變,這種不斷提高的超彈性性能使得該合金的應(yīng)用逐漸擴展到超彈性緊固件應(yīng)用領(lǐng)域。
　　 原位拉

12、伸試驗中觀察了(TiB+La2O3)/(Ti-35Nb-3Zr-2Ta)試樣主要的微觀變形機制。在低應(yīng)變量下,沿著拉伸外力的方向,線狀位錯形核。隨著應(yīng)變量的增大,位錯經(jīng)歷了形核,開動和相互間作用幾個階段。伴隨著位錯的滑移,在位錯周圍,誘發(fā)產(chǎn)生孿晶型自協(xié)作狀馬氏體。在整個拉伸過程中觀察到{111}孿晶和(001)復(fù)合孿晶片。這種(001)復(fù)合孿晶片隨著應(yīng)變率的增大逐漸向鄰近的{111}孿晶基體板條擴展并逐漸長大到和原來{111}孿晶板條組