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        軋制工藝對TC20鈦合金小規(guī)格棒材組織和力學性能的影響

        2021-03-08 08:08:24魏高燕張源田
        世界有色金屬 2021年24期
        關(guān)鍵詞:變形工藝

        關(guān) 蕾,魏高燕,李 瑞,張源田

        (1.寶鈦集團有限公司,陜西 寶雞 721014;2.寶雞鈦業(yè)股份有限公司,陜西 寶雞 721014)

        鈦合金因強度高、比重小、綜合力學性能優(yōu)良和生物相容性好等優(yōu)點,用其制作的骨板、螺釘、髖關(guān)節(jié)假體、血管支架、心臟瓣膜、牙種植體等產(chǎn)品在生物醫(yī)學領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1,2]。早期,醫(yī)用材料中用的最多的是純鈦和Ti-6Al-4V合金,但純鈦強度較低、耐磨性較差,使得Ti-6Al-4V合金逐漸占據(jù)了市場主導(dǎo)地位[3,4];然而,Ti在組織液中會發(fā)生腐蝕,種植體周圍會出現(xiàn)含Ti的黑色顆粒沉積,Ti-6Al-4V合金在人體中會釋放含有釩(V)的有毒元素,近年來,許多國家都在研究開發(fā)新型、不含有害元素、生物相容性好、彈性模量低以及具有優(yōu)良疲勞、斷裂性能的外科植入醫(yī)用鈦合金材料[5,6]。

        TC20(Ti-6Al-7Nb)鈦合金是由瑞士Sulzer醫(yī)學技術(shù)公司研制開發(fā)的,是近20年發(fā)展起來的被世界骨科界廣為應(yīng)用的更為先進的外科金屬植入物材料,用無毒的元素Nb代替Ti-6Al-4V鈦合金中的具有潛在毒性的V。經(jīng)長期臨床應(yīng)用后,現(xiàn)已被世界醫(yī)學界所承認,將逐步取代Ti-6Al-4V合金。由于金屬晶粒越均勻、細小,越有助于提高材料的強度、塑性等綜合性能,因此在醫(yī)用、宇航等領(lǐng)域?qū)︹伜辖鸢舨漠a(chǎn)品的顯微組織均勻性及晶粒尺寸均有超出相應(yīng)標準的較高要求,而使用傳統(tǒng)的鍛造或軋制工藝生產(chǎn)的鈦合金棒材產(chǎn)品組織存在均勻性差、晶粒細化程度不足等問題,造成部分高端鈦合金棒材仍需大量進口[7,8]。在此背景下,研究TC20鈦合金的工業(yè)化生產(chǎn)工藝顯得尤為重要。

        為了提高產(chǎn)品的使用壽命,外科植入物用TC20合金棒材的顯微組織要盡量細小均勻,GB/T 13810-2007標準中要求棒材橫向顯微組織應(yīng)符合ETTC2中A1~A9級,但目前市場采購需求的TC20合金棒材均要求橫向組織穩(wěn)定于A1~A5級。國內(nèi)對于TC20合金熱處理研究較多,但相對于生產(chǎn)加工方面的研究卻報道甚少,本文通過對TC20合金棒材軋制工藝進行研究,旨在為現(xiàn)場生產(chǎn)提供更多的技術(shù)參考數(shù)據(jù),以望TC20合金盡早在生物用材方面與國際接軌。

        細化晶粒的方法主要有通過大塑性變形、形變熱處理、合金成分細化等。本項目是通過大塑性變形獲得均勻細小的等軸組織,通過傳統(tǒng)自由鍛+熱軋連軋線兩種加工工藝獲得。鈦合金鑄錠具有粗大晶粒,工藝塑性較差,通過開坯鍛造后,粗大的鑄造組織得到充分破碎,內(nèi)部組織得到改善,提高了工藝塑性,通過β區(qū)和α+β區(qū)鍛造后,得到均勻的兩相區(qū)組織。隨后通過連軋線進行小規(guī)格棒材試制,連軋線變形特點是沿變形的軸向只產(chǎn)生延伸變形,沿徑向上僅發(fā)生壓縮變形,而且坯料表面層與中心層的流動速度相同,這樣更好的保證了大塑性變形下的均勻變形,可得到均勻細小的晶粒。本項目以制定優(yōu)異、穩(wěn)定的加工工藝,來得到顯微組織均勻、一致的TC20鈦合金軋制棒材,并使顯微組織評級達到GB/T 13810-2007標準附圖中的A1-A5級,且力學性能、尺寸和表面質(zhì)量等技術(shù)條件均滿足相應(yīng)標準要求。

        1 實驗材料及方法

        實驗用材料是采用真空自耗電弧爐3次熔煉的鑄錠,經(jīng)水壓機鍛造加工而成直徑Φ150mm的鍛棒。低倍組織照片見圖1,高倍組織見圖2,金相法測得坯料的α+β/β相轉(zhuǎn)變溫度為1020℃,主要化學成分見表1。

        圖1 TC20鈦合金鍛棒低倍照片

        圖2 TC20鈦合金鍛棒顯微組織

        表1 實驗用TC20合金化學成分

        采用軋制方式在鈦及鈦合金熱連軋生產(chǎn)線上將Φ150mm棒坯軋至Φ13.5mm,采用的兩種軋制工藝如下:

        工藝A:相變點以下50℃~70℃軋制1火次,相變點以下40~60℃軋制1火次;

        工藝B:相變點以下50℃~70℃軋制1火次,相變點以下60~80℃軋制2火次;

        TC20鈦合金Φ13.5mm棒材經(jīng)780℃/2h.AC退火后,在其頭部切取縱向試樣,分別進行顯微組織觀察、晶粒度評級和室溫力學性能檢測。高倍試樣經(jīng)腐蝕液(5% HF+10% HNO3+85% H2O)腐蝕后,按照GB/T5168標準在AXIOVERT 200 MAT金相顯微鏡進行顯微組織檢查;室溫力學性能按照GB/T 228.1標準在INSTRON 5885電子萬能材料拉伸試驗機上測試。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 軋制工藝對棒材顯微組織的影響

        圖3為采用兩種軋制工藝得到的TC20鈦合金Φ13.5mm棒材顯微組織,由圖3看出兩種熱連軋工藝得到的小規(guī)格棒材組織為典型的雙態(tài)組織和等軸組織,由不同比例的等軸α、次生α相組成,工藝B相比工藝A的晶粒尺寸更細小、初生α含量較高,兩種顯微組織評級均符合ETTC中A1~A9要求。

        圖3 TC20鈦合金Φ13.5mm棒材顯微組織

        在兩相區(qū)變形過程中,隨著變形量的逐漸增加,原始β晶粒逐漸被壓扁和破碎,言金屬變形流動方向拉長,片狀α發(fā)生扭曲、碎化并沿變形方向排列,當變形量足夠大時,形成帶狀組織,在適當?shù)耐嘶饻囟认?,片狀α發(fā)生再結(jié)晶,轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀α相[9-11]。由此可見片狀和長條組織的棒坯經(jīng)過兩種不同熱連軋工藝在兩相區(qū)變形,在足夠的變形量后通過780℃退火后,片狀組織發(fā)生球化轉(zhuǎn)變成等軸組織,說明在軋制變形時,保證足夠大的兩相區(qū)變形量,可以獲得等軸組織。采用兩種熱連軋工藝,棒材橫、縱向顯微組織形貌無明顯差別,不同的組織類型與采用的終止軋制溫度有關(guān),溫度越高,初生α含量越低。另一方面,降低變形溫度,位錯密度在變形過程中會明顯增加,同等變形程度下,低溫變形會積累更多的內(nèi)應(yīng)力,形成再結(jié)晶過程中的驅(qū)動力,并使得再結(jié)晶溫度有所降低,高位錯密度和較低的再結(jié)晶溫度促使變形金屬較早的進行形核和聚集再結(jié)晶,并阻礙了晶粒的長大過程,從而降低了晶粒尺寸,達到細化晶粒的目的。

        2.2 軋制工藝對棒材力學性能的影響

        兩種軋制工藝制備的TC20鈦合金小規(guī)格棒材室溫拉伸性能見圖4,可以看出,兩種工藝制備的小規(guī)格棒材均具有較高的強度和塑性。其中工藝A制備的棒材抗拉強度和屈服強度高于工藝B制備的棒材,工藝B制備的棒材塑性較高。

        圖4 兩種軋制工藝制備的TC20小規(guī)格棒材室溫拉伸

        工藝A制備的棒材組織為雙態(tài)組織,在較高的溫度軋制后,終軋溫度較高,使得棒材具有較高的固溶溫度,初生α含量減少,棒材的塑性降低,同時在冷卻過程中,形成了大量的細小彌散的次生α相,引起的彌散強化效果更明顯,在變形過程中易形成應(yīng)力集中[11],因此,棒材的抗拉強度和屈服強度較高。

        工藝B制備的棒材組織為等軸組織,等軸α相的數(shù)量較多,在受外力時,α相之間的相互協(xié)調(diào)性也會越好,所以拉伸實驗中,強度較低,而表現(xiàn)出良好的塑性。另外,當?shù)容Sα相的數(shù)量較多時,β轉(zhuǎn)變組織的數(shù)量肯定會減少。在鈦合金拉伸變形過程中,塑性主要和等軸狀初生α相晶粒有關(guān),其等軸狀α相晶粒越多或越細小,材料塑性成型時可以降低變形溫度或提高應(yīng)變速率,即塑性越好。晶粒越細小,其可滑動的晶界面積越大,為晶界滑移提供了大量的晶界,在晶界處及附近容易發(fā)生應(yīng)力集中,從而使得材料具有較高的強度和塑性[12-13]。

        3 結(jié)論

        (1)采用兩種軋制工藝制備的TC20鈦合金小規(guī)格棒材顯微組織均能滿足GB/T13810中A1~A5的要求,工藝A制備的棒材為典型的雙態(tài)組織,工藝B制備的棒材為典型的等軸組織。

        (2)兩種軋制工藝制備的小規(guī)格棒材經(jīng)780℃/2h.AC退火后,工藝A抗拉強度和屈服強度高;工藝B具有較高的塑性,強度略低于工藝A。

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