TC4鈦合金是目前應(yīng)用最廣的一種α+β型鈦合金[1−2]，其用量占鈦合金總消耗量的50%以上，它含質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的α穩(wěn)定元素Al及4%的β穩(wěn)定元素V，具有優(yōu)異的綜合性能，主要有：（1）密度低，使醫(yī)用件輕巧，舒適感好；（2）高的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，可滿足骨頭、關(guān)節(jié)、手術(shù)器械和康復(fù)器械的強(qiáng)度要求；（3）耐蝕（化學(xué)穩(wěn)定性好），抗體液腐蝕，適于身體各部件使用；（4）生物相容性好，無毒性（無致炎、致癌作用），其腐蝕產(chǎn)物也無毒，不向體外擴(kuò)散，而是集中在植入物附近；（5）力學(xué)相容性好，鈦合金的彈性模量可降至50~100 GPa，減少應(yīng)力屏蔽，與人體骨頭匹配性好；（6）低X射線吸收率，醫(yī)檢時(shí)X射線可視性好；（7）形狀記憶功能，可用做脊柱矯形棒、骨釘、內(nèi)固定器、聚髖器、內(nèi)支架等；（8）有良好加工成形性，適于制成板、棒、絲、管、毛細(xì)管、異形件等醫(yī)用制品。因而廣泛應(yīng)用在制藥工業(yè)、醫(yī)療器械、人體植入物等領(lǐng)域[3]。

美國、英國和俄羅斯首先將Ti?6AL?4V合金用于人體。Ti?6AL?4V和Ti?6AL?4VELI是迄今為止一直廣泛應(yīng)用于植入物材料的重要合金。隨著鈦合金在醫(yī)用領(lǐng)域的發(fā)展，為滿足U型椎弓根螺釘（實(shí)物照片見圖1）高塑性，高扭轉(zhuǎn)角的需求，研制?7.5 mm小規(guī)格棒材，棒材力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度Rm≥930 MPa、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2≥860 MPa、斷后伸長率A≥16%、斷面收縮率Z≥30%，高倍組織達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13810—2017的要求，進(jìn)行不同拉拔工藝及熱處理工藝研究。

鈦合金的組織形態(tài)及晶粒尺寸是決定其性能的主要因素。晶粒越細(xì)小，其比表面積越大，為晶界滑移提供了大量晶界，與此伴生的應(yīng)力集中也增多，集中在晶界及其附近，從而導(dǎo)致晶內(nèi)位錯(cuò)滑移也集中在晶界及其附近，起到了協(xié)調(diào)晶界滑移的作用；同時(shí)，晶粒越細(xì)小，等軸性越好，產(chǎn)生的空洞尺寸也越小、晶粒的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)也越易進(jìn)行，從而使得金屬拉伸時(shí)獲得更好的塑性。為此人們通過嘗試對(duì)材料施加大塑性變形的方法來獲得細(xì)小的晶粒組織。鈦合金的組織形態(tài)取決于不同的熱處理工藝，對(duì)同一種鈦合金由于熱處理的不同，最后可能形成多種組織形態(tài)。本文通過控制不同的拉拔比、道次變形量及熱處理制度來控制晶粒大小及組織形態(tài)，從而獲得不同的組織性能[4]。

1.   實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)工藝

1.1   實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用?600 mm錠型，鑄錠質(zhì)量3000 kg。鑄錠經(jīng)3次真空自耗電弧爐熔煉，化學(xué)成份：w(Al)=5.8%~6.2%，w(V)=4.0%~4.2%，w(Fe)=0.1%~0.2%，w(C)<0.02%，w(N)<0.01%，w(O)=0.10%~0.15%，余量為鈦，α+β/β相的轉(zhuǎn)變溫度為960~990 °C。

實(shí)驗(yàn)采用?9.5 mm棒坯，棒坯原始高倍照片見圖2。棒坯制作工藝采用相變點(diǎn)以上60~190 °C開坯，采用寬砧拔長變形，變形量為50%~70%，相變點(diǎn)以下30~50 °C采用二火軋制變形，變形量為70%~90%。

1.2   實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)對(duì)?9.5 mm棒坯拉拔，拉拔完成后進(jìn)行熱處理獲得TC4合金?7.5 mm小規(guī)格棒材。實(shí)驗(yàn)按4種拉拔工藝[5]，5種溫度熱處理制度進(jìn)行，4種拉拔工藝分別為二模拉拔（拉拔速度為1.2~2.0 m/min，一、二模拉拔比分別為1.45和1.21）、三模拉拔（拉拔速度為1.5~2.4 m/min，一、二、三模拉拔比分別為1.14、1.21和1.13）、四模拉拔（拉拔速度為1.8~2.8 m/min，一、二、三模拉拔比分別為1.11、1.12、1.07和1.08）、五模拉拔（拉拔速度為2.2~3.2 m/min，一、二、三、四、五模拉拔比分別為1.09、1.09、1.07、1.08和1.05），熱處理制度的5種溫度分別是550、600、650、700和750 °C。具體工藝實(shí)驗(yàn)方案見表1[6]。

以上20種方案完成后對(duì)棒材進(jìn)行顯微組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試，得到TC4合金?7.5 mm小規(guī)格棒材高倍組織相圖和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果：抗拉強(qiáng)度Rm、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2、斷后伸長率A、斷面收縮率Z[7]。

2.   實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1   對(duì)組織的影響

在OLYMPUS GX71金相顯微鏡下觀察[8]，各實(shí)驗(yàn)條件下TC4合金?7.5 mm小規(guī)格棒材的顯微組織形貌，如表2所示。

從表2可以看出，各方案顯微組織差異不大，均為球狀α+β轉(zhuǎn)組織，均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16598—2017圖A1級(jí)。組織細(xì)小均勻，為均勻的兩相區(qū)加工組織，這是由于各方案兩相區(qū)變形量較充分，變形均勻[9]。

2.2   對(duì)力學(xué)性能的影響

經(jīng)過4種拉拔工藝和5種溫度熱處理后及未進(jìn)行熱處理（R態(tài)）的棒材各取一套縱向拉伸試樣，分別在INSTRON5885拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)試，其力學(xué)性能如表3所示[10]。

根據(jù)考核值：抗拉強(qiáng)度Rm≥930 MPa、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2≥860 MPa、斷后伸長率A≥16%、斷面收縮率Z≥30%。從表2可以看出，二模拉拔和三模拉拔只有在700和750 °C熱處理后達(dá)到要求，四模拉拔和五模拉拔只有在750 °C熱處理后達(dá)到要求。三模拉拔、四模拉拔和五模拉拔在750 °C熱處理后抗拉強(qiáng)度值相當(dāng)，分別為973、989和980 MPa，二模拉拔在750 °C熱處理后強(qiáng)度值1002 MPa高于前三種拉拔工藝。4種拉拔工藝在750 °C熱處理后規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度分別為887、876、873和871 MPa，可以看出二模拉拔、三模拉拔明顯高于四模拉拔、五模拉拔；原因：棒材拉伸過程中受的是兩向壓應(yīng)力，一向拉應(yīng)力，大拉拔比更有利于晶粒破碎，在相同熱處理溫度下，二模拉拔、三模拉拔伸長率高于四模拉拔、五模拉拔2%~4%，端面收縮率高出10%~17%[11]。

同時(shí)從表2可以看出，隨著熱處理溫度提高，強(qiáng)度下降，塑性提高。當(dāng)熱處理溫度低于700 °C時(shí)，金屬殘余應(yīng)力不完全清除，影響金屬的塑性指標(biāo)，而在700~750 °C熱處理時(shí)，棒材軟化明顯，拉拔過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得到充分回復(fù)，此時(shí)，棒材的強(qiáng)度值和塑性值配比最佳[12]。

3.   結(jié)束語

（1）采用大拉拔比更有利于晶粒破碎，在相同熱處理制度下，二模拉拔、三模拉拔斷后伸長率高于四模拉拔、五模拉拔2%~4%，端面收縮率高出10%~17%。

（2）采用二模拉拔、三模拉拔生產(chǎn)的?7.5 mm棒材金相組織都滿足GB/T 13810—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）TC4的?7.5 mm棒材，在700~750 °C熱處理時(shí)，棒材軟化明顯，內(nèi)部殘余應(yīng)力得到充分消除。此時(shí)，棒材的強(qiáng)度值和塑性值配比最佳。

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文章來源——金屬世界