摘 要:某醫(yī)用 TC４ELI鈦合金板材在進(jìn)行低倍檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)其存在貫穿的亮帶缺陷,通過(guò)金相 檢驗(yàn)、掃描電鏡分析、能譜分析和硬度測(cè)試,對(duì)缺陷種類(lèi)和形成原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:該缺陷 為富鈦＋間隙元素偏析缺陷,是由鈦合金鑄錠生產(chǎn)過(guò)程中海綿鈦粒度不均勻、中間合金混料分布不 均勻?qū)е碌?建議通過(guò)控制原料和熔煉工藝來(lái)減少或消除該缺陷.

關(guān)鍵詞:醫(yī)用 TC４ELI鈦合金;亮帶;偏析缺陷;間隙元素偏析

中圖分類(lèi)號(hào):TG１４６．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０８１２Ｇ０３

TC４ELI鈦合金以其生物相容性良好、彈性模 量低、密度低、防腐性能好、無(wú)毒、屈服強(qiáng)度高、疲勞 壽命長(zhǎng)、室溫下塑性較大、易成形等優(yōu)點(diǎn)而成為醫(yī)用 外科植入物的理想材料[１Ｇ２].醫(yī)用 TC４ELI鈦合金 板材主要用于顱骨修復(fù)、接骨等方面,這對(duì)其強(qiáng)度、 疲 勞 壽 命、塑 性 等 有 更 高 的 要 求. 根 據(jù) GB/T １３８１０－２０１７«外科植入物用鈦及鈦合金加工材»,在 植入物產(chǎn)品所用鈦合金材料的低倍組織上若發(fā)現(xiàn)偏 析、金屬或非金屬夾雜物及其他目視可見(jiàn)的冶金缺 陷時(shí),判該批產(chǎn)品不合格.偏析是鈦合金材料微區(qū) 成分不均勻在組織上的顯現(xiàn).醫(yī)用 TC４ELI板作為 α＋β型兩相鈦合金,如果其微區(qū)成分不均勻,將會(huì) 引起宏觀及顯微組織的異常,從而導(dǎo)致異常區(qū)域與 正常區(qū)域的硬度存在顯著的差異性,該差異性會(huì)導(dǎo) 致鈦合金材料整體性能不均勻,進(jìn)而降低材料強(qiáng)度、 疲勞壽命和塑性,最終導(dǎo)致材料早期失效[３Ｇ１０].

某醫(yī)用 TC４ELI鈦合金板材在進(jìn)行低倍觀察時(shí) 發(fā)現(xiàn)一條寬度約５mm 的貫穿異常帶狀區(qū)域,截取 其中一部分進(jìn)行低倍觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)該帶狀區(qū)域?yàn)榱? 帶,如圖１所示.為準(zhǔn)確判定缺陷類(lèi)型,查明缺陷產(chǎn) 生的原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 金相檢驗(yàn)

使用 Observer．AIM 型 ZEISS 金 相 顯 微 鏡 對(duì) TC４ELI鈦合金板材的亮帶區(qū)和正常區(qū)進(jìn)行金相檢 驗(yàn),由圖２可見(jiàn),亮帶區(qū)為單相等軸α組織,呈現(xiàn)出 偏析類(lèi)組織特征,而正常區(qū)為典型的 TC４ELI鈦合 金α＋β兩相區(qū)加工的組織,所有原始β晶界充分破 碎,由此可以確定亮帶區(qū)為偏析缺陷.

１．２ 掃描電鏡分析

使用JSMＧ６７００型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)分 別對(duì) TC４ELI鈦合金板材的亮帶區(qū)和正常區(qū)進(jìn)行形 貌分析.由圖３可見(jiàn),亮帶區(qū)的單相等軸組織更清 晰,正常區(qū)呈現(xiàn)出α＋β兩相區(qū)加工組織的特征,這 與金相檢驗(yàn)的結(jié)果一致,進(jìn)一步確定亮帶區(qū)為偏析 缺陷.

１．３ 能譜分析

使用 掃 描 電 鏡 附 帶 的 能 譜 儀 (EDS)分 別 對(duì) TC４ELI鈦合金板材的亮帶區(qū)和正常區(qū)進(jìn)行微區(qū)成 分分析,分析結(jié)果如表１所示.可見(jiàn)正常區(qū)除釩含 量比標(biāo)準(zhǔn)值稍高之外,其他元素含量均符合 GB/T ３６２０．１－２０１６«鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分»的要 求;亮帶區(qū)的鈦、鋁和釩含量均不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),出 現(xiàn)了明顯的富鈦、貧鋁及貧釩的情況,且氧元素的含 量為標(biāo)準(zhǔn)范圍的上限值,由此判斷該TC４ELI鈦合金板材存在富鈦型偏析缺陷.

１．４ 硬度測(cè)試

鈦合金的偏析按偏析部位與正常區(qū)硬度的高、 低差別,可分為硬偏析(偏析部位硬度高于正常區(qū)硬 度,又稱(chēng)脆性偏析)與軟偏析(偏析部位硬度低于正 常區(qū)硬度,又稱(chēng)非脆性偏析)兩類(lèi).分別對(duì) TC４ELI 鈦合金板材的亮帶區(qū)和正常區(qū)進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè) 試,測(cè)得結(jié)果分別為３８３HV 和３２７HV.可見(jiàn)亮帶 區(qū)的硬度明顯比正常區(qū)的要高,亮帶區(qū)的偏析類(lèi)型 為脆性偏析[１１].

２ 分析與討論

TC４ELI鈦合金板材的亮帶區(qū)為偏析缺陷,該 缺陷是由于中間合金顆粒沒(méi)有完全合金化導(dǎo)致的, 是富鈦型偏析,但又不是常見(jiàn)的富鈦偏析,因?yàn)楦烩? 型 偏 析 區(qū) 域 的 硬 度 應(yīng) 該 比 正 常 區(qū) 的 要 低[１２],而 TC４ELI鈦合金板材的偏析缺陷區(qū)(亮帶區(qū))的硬度 比正常區(qū)的要高,這符合間隙元素偏析的特征.間隙元素特指氧、碳、氮等元素.偏析缺陷區(qū)氧元素含 量偏高的現(xiàn)象驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)果.間隙元素的富集會(huì) 使鈦合金的β相轉(zhuǎn)變溫度升高、α相硬度升高、材料 變脆.綜上,TC４ELI鈦合金板材偏析缺陷的類(lèi)型 是富鈦＋間隙元素偏析.

該偏析缺陷的成因主要與鈦合金的熔煉工藝有 關(guān),偏析缺陷在鑄錠生產(chǎn)中就已形成.目前我國(guó)鈦 合金生產(chǎn)企業(yè)普遍采用３次真空熔煉自耗電弧爐熔 煉法,電極制備過(guò)程中操作不當(dāng)易引發(fā)金屬污染或 形成難熔的氧化物和氮化物,而電流、電壓選擇不當(dāng) 會(huì)引發(fā)熔煉過(guò)程中熔區(qū)無(wú)法實(shí)現(xiàn)熱平衡,還會(huì)引起 熔池深度的變化,從而導(dǎo)致海綿鈦粒度不均勻、中間 合金混料分布不均勻,這都會(huì)引起材料局部區(qū)域合 金元素的富集與貧乏,導(dǎo)致該區(qū)域的相變點(diǎn)偏離,而 在后續(xù)的熱加工過(guò)程中,就逐漸演變?yōu)楫惓＝M織,形 成偏析缺陷[１２Ｇ１８].

３ 結(jié)論及建議

TC４ELI鈦合金板材存在富鈦＋間隙元素偏析 缺陷,該缺陷是由于鈦合金鑄錠生產(chǎn)過(guò)程中海綿鈦 粒度不均勻、中間合金混料分布不均勻?qū)е碌?

建議通過(guò)加強(qiáng)對(duì)原料和混料的控制,以及電極 制備過(guò)程和熔煉過(guò)程中電壓和電流的選擇來(lái)減少或 消除此類(lèi)缺陷.

參考文獻(xiàn):

[１] 尹東芳,黃一飛．醫(yī)用鈦合金的生物相容性研究[J]． 醫(yī)學(xué)研究雜志,２００８,３７(１０):９６Ｇ９７．

[２] 李軍,魏建華,張玉梅,等．新型醫(yī)用鈦合金生物相容 性評(píng)價(jià)[J]．實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志,２０１０,２６(５):６３６Ｇ６４０．

[３] 王衛(wèi)民,林劭華,曹繼敏,等．熱加工工藝對(duì)醫(yī)用 TC４ 合金棒材顯微組織的影響[J]．鈦工業(yè)進(jìn)展,２０１２,２９ (３):１４Ｇ１８．

[４] 王衛(wèi)民,林 劭 華,李 雷,等．外 科 植 入 物 用 Ti６Al４V (ELI)合金棒材的成分、組織和力學(xué)性能[J]．中國(guó)有 色金屬學(xué)報(bào),２０１０,２０(S１):５５５Ｇ５５９．

[５] 于振濤,余森,張明華,等．外科植入物用新型醫(yī)用鈦 合金材料設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]．中國(guó)材料 進(jìn)展,２０１０,２９(１２):３５Ｇ５１．

[６] 麻西群,于振濤,牛金龍,等．新型生物醫(yī)用鈦合金組 織與性能研究進(jìn)展[J]．生物醫(yī)學(xué)工程與臨床,２０１３, １７(６):６１０Ｇ６１５．

[７] 白鵬飛,閔小華,陶曉杰,等．醫(yī)用 TC４鈦合金棒材的 顯微組織調(diào)控及 U 型釘縮口性能[J]．理化檢驗(yàn)(物 理分冊(cè)),２０１３,４９(２):１１７Ｇ１１８．

[８] 李榮,魏東,許陸,等．外科植入用 TA３鈦合金接骨板 斷裂失效 分 析 [J]．理 化 檢 驗(yàn) (物 理 分 冊(cè)),２０１６,５２ (１２):８９７Ｇ８９９．

[９] 魏芬絨,范亞軍,王海,等．脊柱頂絲用 TiＧ６AlＧ４VELI 鈦合金性能的研究[J]．熱加工工藝,２０１４,４３(４):９８Ｇ １０２．

[１０] 李輝,曲恒磊,趙永慶,等．TiＧ６AlＧ４V ELI合金板材 的顯微組織與力學(xué)性能研究[J]．鈦工業(yè)進(jìn)展,２００５, ２２(６):２４Ｇ２７．

[１１] 張麗,申亮,李瑞文,等．VＧ５CrＧ５Ti合金富鈦相析出 區(qū)的顯微維氏硬度測(cè)試[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)), ２０１４,５０(９):６５１Ｇ６５４．

[１２] 何春艷,祝建雯,朱康平．αＧβ兩相鈦合金棒材常見(jiàn)偏 析缺陷分析[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１３,４９(４): ２４７Ｇ２５０．

[１３] 張利軍,何春艷,薛祥義,等．鈦合金冶金缺陷實(shí)例分 析[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１３,４９(１２):８１９Ｇ８２２, ８２６．

[１４] 蔡建明,張旺峰,李臻熙,等．TC１１鈦 合 金 葉 片 上 亮 條和暗條的性質(zhì)及控制[J]．材料工程,２００５,３３(１): １６Ｇ１９．

[１５] 劉俊,湯光平,楊桂珠．TC４鈦合金棒料亮條紋缺陷 分析[J]．理 化 檢 驗(yàn)(物 理 分 冊(cè)),２０１１,４７(１０):６４６Ｇ ６４８．

[１６] 吳俊峰．TC１１鈦合金棒開(kāi)裂原因分析[J]．理化檢驗(yàn) (物理分冊(cè)),２０１２,４８(５):３３１Ｇ３３３．

[１７] 朱銘德,沈一諾．高 強(qiáng) 度 鈦 合 金 螺 栓 斷 裂 失 效 分 析 [J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２００８,４４(８):４４６Ｇ４５０．

[１８] 施小立,祁鳳君,穆盈,等．鎳鈦絲斷裂原因分析[J]． 理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１８,５４(１１):８２９Ｇ８３２．

<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>55卷>11期(pp:812-814)>