鈦具有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕及優(yōu)良的生物相容性，是前途廣闊的醫(yī)用金屬材料[1-2]。美國研制的TC4鈦合金已成為應(yīng)用最廣泛的鈦合金，成為脊柱矯形、人工關(guān)節(jié)和骨創(chuàng)傷用品等外科植入物的首選材料[3-6]。網(wǎng)籃組織的原始β晶粒破碎，晶界α不明顯，晶內(nèi)片狀α變短變粗，在原始β晶粒輪廓內(nèi)交錯分布，其抗拉強度、延伸率、沖擊韌性都較高，綜合性能較好[7]。醫(yī)用鈦合金要求良好的、穩(wěn)定的綜合力學(xué)性能，具有網(wǎng)籃組織的TC4合金更好的適用于醫(yī)療領(lǐng)域。

1、試驗材料和方法

試驗用TC4鈦合金化學(xué)成分如表1所示。

實驗材料鈦合金TC4的原始組織如圖1，為冷軋未完全退火態(tài)組織。對于兩相鈦合金，α相是(α＋β)型鈦合金的基體相，白色部分為α相，其余部分為均勻分布的β相。

選擇1000℃和1020℃作為醫(yī)用TC4鈦合金獲得網(wǎng)籃組織的固溶處理溫度，冷卻方式為空冷或水冷，時效溫度分別為500℃、550℃、600℃、650℃和700℃。觀察不同熱處理制度下TC4鈦合金組織形貌，并測量硬度變化。

2、結(jié)果與分析

2.1固溶溫度和冷卻方式對組織的影響

TC4鈦合金1000℃保溫1h，得到的顯微組織如圖2所示。圖中可以看出，TC4鈦合金組織上存在大量不連續(xù)分布的白色塊狀組織，這是由于溫度沒有達到(α＋β)→β相變點，原始α相沒有轉(zhuǎn)變成β相，在高溫下長大形成。圖2(a)是空冷后的組織，為等軸初生α相和針片狀β相；圖2(b)是水冷后的組織，為等軸初生α相和α′馬氏體，α′馬氏體是β快速冷卻的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。

TC4鈦合金1020℃保溫1h，得到的顯微組織如圖3所示。圖3(a)采用水冷方式冷卻，組織為細針狀的α′相，并且隱約可見原始β相晶界，這是由于高溫β相在較快的冷速下來不及析出，晶內(nèi)β相以切變方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體α′，在熱處理時分解為細密且位向無規(guī)則的細針狀α′相。圖3(b)為固溶空冷后的組織，細小的板條α相組織以及未分解的β相，包括晶界α相和晶內(nèi)沿一定慣習(xí)面析出的相互平行的α相集束。

2.2不同時效溫度對組織的影響

TC4鈦合金1000℃×1h固溶后經(jīng)700℃×3h時效，得到圖4(a,b)兩種組織。圖4(a)中α相有明顯增多，這是因為在700℃時效下，原析出的α相會與初生α相聚集，同時針片狀β相發(fā)生分解，析出了片狀α相，最終形成具有片層結(jié)構(gòu)的(α＋β)相和大量的塊狀α相。

由圖4(b)可看出，時效后α相有明顯長大，是因為等軸α相發(fā)生了再結(jié)晶，同時亞穩(wěn)α′相在熱力學(xué)上不穩(wěn)定，時效時發(fā)生分解，最終產(chǎn)物為平衡狀態(tài)的(α＋β)復(fù)相組織。

TC4鈦合金1020℃×1h固溶后水冷，經(jīng)3h不同溫度的時效，得到的組織如圖5所示。

圖5a組織沒有明顯的變化，仍以細針狀組織為主，部分區(qū)域有不規(guī)則塊狀α相析出，這是時效過程中α′馬氏體發(fā)生分解，生成細小的α相和β相的混合物，時效保溫過程中α相發(fā)生再結(jié)晶長大形成。圖5b中在原始β晶界上也有α相析出長大現(xiàn)象，但主要仍為針狀的α′馬氏體。圖5c組織中仍存在明顯的針狀α′馬氏體，但在原始β晶界上和晶粒內(nèi)，都析出明亮的白色α相，并且晶界上的α相成連續(xù)狀。圖5d中基體組織仍為針狀的α′相馬氏體組織，但是原始β晶界上和晶粒內(nèi)，已經(jīng)有大量的白色α相析出，均勻分布在基體上。圖5e中組織發(fā)生了明顯變化，淬火馬氏體α′基本分解完全，可以看到間距較寬的層片狀組織組成物(α＋β)以及粗大的板條狀α相，這是因為時效溫度太高，組織發(fā)生了長大所致。

TC4鈦合金1020℃×1h固溶后空冷，經(jīng)3h不同溫度的時效，得到的組織如圖6所示。

圖6a中組織為α相與β相互交錯分布的(α＋β)相層片組織，但組織不夠均勻。圖6b中α相呈層狀排列分布于β相中，原始β相晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)殚L條狀交錯組織，呈不同位向，與α相交錯形成網(wǎng)籃狀組織[7-10]。圖6c中基體組織仍為α相與β相互交錯分布的層片組織，但片層間距增大，在原始β晶界上和晶粒內(nèi)，析出了α相，并且晶界上的α相呈連續(xù)分布。圖6d中基體組織為片層間距較大的層片狀組織，并有一定的α相析出。圖6e中組織為經(jīng)700℃時效后，在層片組織上析出了大量板條狀和塊狀的α相，組織較為粗化。以上結(jié)果表明，鈦合金TC4獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝為1020℃×1h(AC)+550℃×4h(AC)。

2.3固溶時效處理對硬度的影響

鈦合金TC4經(jīng)固溶時效處理后的顯微硬度如圖7所示。經(jīng)測量，所用材料鈦合金TC4原始硬度為332HV。由圖7可以看出，TC4鈦合金經(jīng)1000℃固溶后水冷組織的硬度略高于空冷組織，但變化不大。經(jīng)700℃時效后，硬度又稍有較低，這是由于α相發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象，并且(α＋β)片層間距略有增大，組織整體由于時效變粗大導(dǎo)致的。

圖8為TC4鈦合金經(jīng)1020℃固溶后硬度隨時效溫度變化曲線。從圖8(a)中可以看出，經(jīng)1020℃固溶水冷后組織的硬度相較于基體（332HV）有較大的提高，這是因為鈦合金TC4經(jīng)1020℃固溶水冷后產(chǎn)生了細小的α′馬氏體。時效后硬度有一定的提高，且隨著時效溫度的增高呈先增大后減小的趨勢。700℃時效后，組織有明顯的粗化，片層間距變寬且生成了大量塊狀α相，導(dǎo)致硬度降低。從圖8(b)中可看出，經(jīng)1020℃固溶空冷后組織的硬度略有提高，經(jīng)時效后硬度有較大的提高，且隨著時效溫度的增高有先增大后減小的趨勢。綜合來看，時效組織硬度有明顯提高，時效溫度均為650℃時達到硬度最大值，是因為時效生成了細小、彌散分布的層片狀組織；而時效溫度達到700℃時，片層間距變寬且生成了大量的塊狀α相，故硬度降低。

3、結(jié)論

（1）固溶溫度對醫(yī)用TC4鈦合金組織影響較大，低于β相變點溫度固溶時，組織中仍存在大量等軸α相；高于相變點溫度固溶時全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪唷Ｔ囼灡砻鳎t(yī)用TC4鈦合金

的相變點溫度介于1000℃～1020℃之間。

（2）醫(yī)用TC4鈦合金1000℃固溶后時效，硬度相較于時效前略有降低；1020℃固溶后時效，隨時效溫度升高硬度呈先增后減規(guī)律，時效溫度為650℃時達到最大值，固溶后水冷時效和固溶空冷時效硬度值分別為435.7HV和435.3HV。

（3）醫(yī)用TC4鈦合金獲得具有良好抗疲勞性能和斷裂韌性的網(wǎng)籃組織的優(yōu)化熱處理工藝為1020℃保溫1h后空冷，550℃時效保溫3h后空冷。

參考文獻

1 Yu Z T, Yu S, Chen J, et al. Acta Metallurgica Sinica, 2017, 53(10): 1238(in Chinese).

于振濤, 余森, 程軍, 等. 金屬學(xué)報, 2017, 53(10): 1238.

2 Jairo M, Cordeiro, Valentim B A R. Materials Science and Engineering C, 2017, 71: 1201.

3 Bai P F, Min X H, Tao X J, et al. Materials Review A, 2017, 31(7): 146(in Chinese).

白鵬飛, 閔小華, 陶曉杰, 等. 材料導(dǎo)報 A, 2017, 31(7): 146.

4 Villavicencio A T, Serxner B J, Mason A, et al. World Neurosurgery, 2015, 83: 553.

5 Kim H J, Kang K T, Park S C, et al. The Spine Journal, 2017, 17: 671.

6 Mahesh B, Upendra B, Vijay S, et al. The Spine Journal (Official Journal of the North American Spine Society),2016, 17: 457.

7 Lal H, Kumar L, Kumar R, et al. Journal of Clinical Orthopaedics and Trauma, 2017, 8: 156.

8 Du Z X, Xiao S L, Shen Y P, et al. Materials Science and Engineering A, 2015, 631: 67.

王曉亭，2013 年 6 月、2016 年 6 月分別于燕山大學(xué)和山東大學(xué)獲得工學(xué)學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。現(xiàn)為內(nèi)蒙金屬材料研究所中級工程師，在喬波高級工程師的指導(dǎo)下進行研究。目前主要研究領(lǐng)域為輕合金加工。

喬波，內(nèi)蒙金屬材料研究所副研究員。2005 年太原科技大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)本科畢業(yè)，2013 年太原科技大學(xué)材料加工工程專業(yè)碩士畢業(yè)后到內(nèi)蒙金屬材料演技所至今，目前主要從事輕合金材料設(shè)計、材料加工等方面的研究工作。發(fā)表論文10 余篇。

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