Ti3Zr2Sn3Mo25Nb钛合金表面细晶的表征方法.pdf
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1、26试验技术与方法2023年第59 卷PTCA(PARTA:PHYS.TEST.)理化检验-物理分册D0I:10.11973/hjy-w1202307007Ti3Zr2Sn3Mo25Nb钛合金表面细晶的表征方法朱昊,陈帅,漆玉婷,曹小建(1.南通大学交通与土木工程学院,南通2 2 6 0 19;2.南通大学机械工程学院,南通2 2 6 0 19)摘要:采用超声冲击的方法对Ti3Zr2Sn3Mo25Nb钛合金进行表面强化,采用扫描电镜、透射电镜、电子背散射衍射仪、X射线衍射仪等设备对其表面细晶进行表征。结果表明:超声冲击后,钛合金表面获得了深度约为35m的强塑性变形层;钛合金表面可观察到明显纳米
2、级的非晶团簇和密集的滑移线,细晶形成的主要原因为位错滑移,位错滑移的主方向为;超声冲击后,材料的表面残余压应力约为2 50 MPa,晶格常数略有降低,相的特征峰强度变大,相的特征峰宽度变大。关键词:Ti3Zr2Sn3Mo25Nb钛合金;超声冲击;表面改性;种植体;细晶中图分类号:TB31R318.01;TG146.2文献标志码:A文章编号:10 0 1-40 12(2 0 2 3)0 7-0 0 2 6-0 4Characterization methods of fine grain on the surface of Ti3Zr2Sn3Mo25Nbtitanium alloyZHU Hao
3、,CHEN Shuai?,QI Yuting,CAO Xiaojian(1.School of Transportation&Civil Engineering,Nantong University,Nantong 226019,China;2.School of Mechanical Engineering,Nantong University,Nantong 226019,China)Abstract:The surface of Ti3Zr2Sn3Mo25Nb titanium alloy was strengthened by ultrasonic impact.Thesurface
4、fine grains were characterized by scanning electron microscopy,transmission electron microscopy,electronbackscatter diffraction and X-ray diffraction.The results show that a strong plastic deformation layer with a depthof about 35 m was obtained on the surface of titanium alloy after ultrasonic impa
5、ct.Obvious nanoscale amorphousclusters and dense slip lines could be observed on the surface of titanium alloy.The main reason for the formation offine grains was dislocation slip and the main direction of dislocation slip was.After ultrasonic impact,theresidual compressive stress on the surface of
6、the material was about 250 MPa,the lattice constant decreasedslightly,the characteristic peak intensity of phase increased and the characteristic peak width of phase increased.Keywords:Ti3Zr2Sn3Mo25Nb titanium alloy;ultrasonic impact;surface modification;implant;fine grain钛与钛合金的比强度高、生物学性能优异,广泛应用于心脏瓣
7、膜、种植牙、人工关节、骨外体内固定器件等医疗器械及种植体中,其中纯Ti和Ti6Al4V(T C 4)种植体钛合金应用最广泛。临床观察发现,钛与钛合金种植体长期服役后会出现一些问题,如钛合金耐磨性变弱、合金元素产生副作用、骨与植人物之间出现应力遮挡等。采用表面改性技术可以提收稿日期:2 0 2 2-0 9-16基金项目:国家自然科学青年基金项目(118 0 2 145);江苏省大学生创新创业训练项目(2 0 2 110 30 40 8 5Y)作者简介:朱昊(2 0 0 3一),男,学士,主要从事工程材料的研究工作通信作者:曹小建,高钛合金的耐磨性,表面改性技术包括喷丸工艺、渗氮工艺等,喷丸工艺具
8、有非均匀性、着点随机性等特点,限制了其在精加工领域的应用;渗氮工艺会改变金属的表面色泽,且渗层较脆,限制了其在种植体领域的应用。新型医用钛合金主要掺杂钜、铊、锆等元素,经过热处理后,材料的弹性模量降低至接近人骨,避免了因应力遮挡而导致的骨萎缩和骨质疏松等临床应用问题。近年来,国内开发出了一系列弹性模量低、无毒化的新型钛合金,其中Ti13Nb13Zr、Ti12Mo6Zr2Fe和Ti15Mo等钛合金已在国外获得了推广及应用 1-3采用表面结构纳米化、生物镀膜或二次表面修饰等方法,可以提高钛合金在种植体中的生物27朱昊Mo25Nb钛自的表征方法理化检验-物理分册力学性能和生物医学相容性-6 。在生产
9、过程中,钛合金零部件表面或近表层易产生清晰晶、应变线、偏析、过热、过烧等缺陷 7,不利于其长期服役。超声冲击使其表面晶粒细化,获得利于吸附的规则表面,再覆以TiN膜,可以促进细胞早期黏附 。调节超声冲击工艺参数可使材料具有良好的表面形貌和表层结构 9,该技术具备较好的临床应用前景。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(T EM)、电子背散射衍射仪(EBSD)、X 射线衍射仪(XRD)等设备对超声冲击后Ti3Zr2Sn3Mo25Nb钛合金的表面细晶进行表征,研究了表面细晶的滑移取向和晶粒尺寸,阐述了强塑性变形层和细晶的形成机理,结果可为提高钛合金在种植体中的应用奠定理论基础。1试验材料及方法1.1试
10、验材料试验选用的Ti3Zr2Sn3Mo25Nb钛合金的化学成分分析结果如表1所示。固溶时效热处理的流程为:7 50 加热30 min,510加热4h。热处理后,钛合金的屈服强度、抗拉强度分别为56 8 MPa和721MPa,断后伸长率为19.5%,断面收缩率为71%,塑性较好。表1Ti3Zr2Sn3Mo25Nb钛合金的化学成分分析结果%质量分数项目MoNbZrSnCNHTi实测值3.124.83.072.090.0150.0070.160.003余量高温下,-Ti相具有稳定的体心立方结构,相中含有稳定元素,可以使其在常温状态下保持稳定。钛合金中的结晶接近理想密排六方结构。理想密排六方结构和体心
11、立方结构的晶胞及尺寸如图1所示,晶格常数为0.2 5 0.50 nm。auu89f00.295 nm0.332nmaa)理想密排六方结构b)体心立方结构图1理想密排六方结构和体心立方结构的晶胞及尺寸示意1.2试验方法对Ti3Zr2Sn3Mo25Nb钛合金进行超声冲击,超声冲击的工艺参数为:振幅30 m,累计冲击10 5次。采用扫描电镜对超声冲击后钛合金的截面进行观察。采用透射电子显微镜对超声冲击后钛合金的表面进行观察。采用X射线衍射仪对超声冲击后钛合金表面的晶体结构进行分析。采用电子背散射衍射仪对超声冲击前后钛合金表面细晶的滑移取向和晶格尺寸进行分析。2试验结果2.1扫描电镜分析在超声冲击后钛
12、合金的截面取样,对试样进行SEM分析,结果如图2 所示。由图2 可知:试样基体可见等轴相,晶粒的平均直径约为2 0 m;经超声冲击后,钛合金表面可见明显流线,近表面晶粒变扁、拉长,表面晶粒碎化后不易辨认,钛合金表面获得了深度约为35m的强塑性变形层。影响强塑性变形层厚度的主要因素为超声冲击时的应力场深度,其主要与施加的静载荷有关 10 110uma)基体10umb)表层图2超声冲击后钛合金截面的SEM形貌金属自纳米化生成表面细晶和超细晶的主要原因有位错滑移、机械李晶等。合金材料的位错运动与晶体结构和层错能有关,因体心立方晶格滑移系较多,塑性变形以位错滑移为主;密排六方结构的层错能较低,塑性变形
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