軋制和固溶處理對Ti7Nb10Mo鈦合金組織和性能的影響

楊奇++檀雯++李冬梅++張紅軍++李蒙++尹勝利++王鼎春

摘 要：文章研究了Ti7Nb10Mo鈦合金板材在軋制及固溶處理過程中組織和性能的變化規律。結果表明：合金鑄錠經過鍛造、軋制等變形，粗大的鑄態樹枝晶轉變為細小β等軸晶及少量α相，隨著變形過程的進行，合金硬度不斷增大，拉伸強度顯著提高，而延伸率逐漸降低。經880℃/1h、900℃/1h固溶處理后，等軸晶粒均勻長大并多邊形化，同時合金具有較高的強度和塑性。合金在鍛態時能夠獲得優異的彈性模量，E約為86GPa，成品冷軋板材經固溶處理后，彈性模量E明顯增大，約為95GPa～101GPa，且固溶溫度變化對其影響不大。

關鍵詞：鈦合金；固溶處理；彈性模量；組織性能

中圖分類號：F416.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）29-0008-03

前言

由于鈦及鈦合金具有良好的綜合機械性能、較低的彈性模量以及優異的耐蝕性和生物相容性的優點，從而其在生物醫用領域的研究和應用倍受青睞，已經被大規模應用于矯形外科、種植以及口腔修復等醫學領域[1-3]。

目前，在生物應用領域應用的鈦合金包括純鈦、Ti-6Al-4V和β型鈦合金。純鈦強度較低、耐磨損性能差，限制了它在承載較大部位的應用；Ti-6Al-4V具有較高的強度和較好的加工性能，被臨床上廣泛應用，但這類合金含有具有潛在毒性的A1和V元素，生物相容性較差；β型醫用鈦合金較其他材料具有不可替代的優越性，目前，關于生物醫用鈦合金尤其是具有更好生物相容性、更低彈性模量的第三代[4]新型β鈦合金的研究與開發已經成為目前國內外的一個熱點研究領域。

Ti7Nb10Mo合金是寶鈦集團有限公司自主開發的具有自主知識產權的新型低模量醫用亞穩β型鈦合金，該合金采用d電子理論設計[5]，通過對該合金的冷熱變形行為、固溶和時效過程中的相變及其對力學性能的影響等方面的研究，進一步為后續工程化試驗和應用奠定基礎。

1 實驗材料和方法

本次研究采用的實驗材料為Ti7Nb10Mo合金，該合金的熔煉方法為真空自耗熔煉，熔煉次數3次。鑄錠經過后續鍛造開坯、熱軋和冷軋等工序，最終得到2mm厚的成品板材。

采用電阻爐進行固溶熱處理實驗，電阻爐溫控精度±10℃。根據相變點溫度并參考相關文獻報道，選擇固溶熱處理溫度為880℃和900℃，熱處理時間均為1小時。

采用ICP光譜儀對鑄錠的成分進行分析；顯微組織觀察在ZEISS金相顯微鏡上進行，金相試樣經砂紙打磨和機械拋光后采用配比為5%HF+10%HNO3+85%H2O的侵蝕液腐蝕；利用GB/T3621-2007的標準在INSTTON5885電子萬能材料實驗機對材料的室溫力學性能進行測試；采用顯微維氏硬度儀進行硬度測試。

2 結果及分析

2.1 相變點測試

采用DSC和金相法確定鑄錠的相變點，結果分別如圖1和圖2所示。從DSC曲線可知：Ti7Nb10Mo鈦合金鑄錠的相變溫度在780℃左右。從圖2可知：當溫度低于785℃時，顯微組織中有深色的α相析出，且α相的析出是不均勻的，局部區域α相析出量多，另一部分區域α相析出量少。當溫度≥785℃時，顯微組織為單相β組織。因此，綜合DSC曲線和金相法可知：Ti710鈦合金鑄錠的相變點溫度為780℃～785℃之間。很顯然，DSC曲線和金相法確定的相變點之間存在一定差異，這可能與合金的淬透性有關。

2.2 Ti7Nb10Mo鈦合金鑄態組織觀察

Ti7Nb10Mo鈦合金鑄錠截面低倍組織如圖3（a）所示。從圖3（a）可知：低倍組織分為表層細晶區、柱狀晶區和中心等軸晶區三種不同區域，且柱狀晶呈現出“風輪”狀的形貌。采用VAR法熔煉鈦合金鑄錠過程中，水冷銅坩堝表層冷卻速度快，且表層形核機理為非均勻形核，形核功較小，所以在表層出現了大量的細晶區。隨著凝固過程的繼續，沿著徑向熱流梯度最大，有利于柱狀晶的生長，同時凝固過程中存在電磁攪拌力，在這種攪拌力的作用下，柱狀晶會出現微小的塑性變形，宏觀上呈現出“風輪”狀的形貌。隨著柱狀晶的生長，鑄錠溫度升高，中心液體溫度逐漸降至熔點以下，達到一定的過冷度，形成中心等軸晶區。由于Ti7Nb10Mo鈦合金是以Nb和Mo為合金元素，平衡分配系數分別為4.5和3.5，在凝固過程中總是富集在固相中，不會形成成分過冷，所以中心等軸晶區與成分過冷無關。圖3（b）為對應的高倍組織。從圖中可知：顯微組織為典型的樹枝晶，從樹枝晶的生長順序可以看出樹枝晶包括一次樹枝晶、二次樹枝晶和三次樹枝晶三種。

2.3 熱變形及熱處理過程中的組織演變

Ti7Nb10Mo鈦合金鍛坯和后續熱軋態的顯微組織如圖4所示。圖4（a）為Ti7Nb10Mo鈦合金鍛坯組織。從圖中可知：經過經多火次鍛造后，鑄態樹枝晶得到充分破碎，顯微組織為變形態的β相，平均晶粒尺寸約為600～1000μm，在其晶粒內部分布著一定量的α相。圖4（b）為Ti7Nb10Mo合金鍛坯經過后續熱軋后的顯微組織。熱軋后，顯微組織由變形態β相晶粒以及晶界附近的動態再結晶β相晶粒組成，變形態β相晶粒的平均晶粒尺寸約為50～100μm。與鍛坯顯微組織相比，熱軋后，顯微組織進一步細化。

熱軋板材經900℃/1h固溶處理后后，顯微組織如圖4（c）所示。固溶處理后，顯微組織由等軸的β晶粒構成，平均晶粒尺寸為約為80～150μm。

熱軋板材固溶后，進行后續冷軋實驗。圖4（d）為Ti710合金冷軋板材的顯微組織，顯微組織由沿著軋制方向拉長的β晶粒構成和等軸的動態再結晶晶粒構成，同時存在明顯加工流線。與固溶處理后的顯微組織相比，β晶粒的平均晶粒尺寸為40～60μm，說明晶粒得到進一步得到細化。

Ti7Nb10Mo鈦合金冷軋后，對板材進行了固溶處理，固溶處理制度為880℃/1h和900℃/1h。板材縱橫向組織變化如圖5所示。經固溶處理后，板材顯微組織由均勻的具有多邊形規則形狀的等軸β晶粒構成，相比于冷軋板材，晶粒明顯長大，尺寸大小約為70～150μm，且隨固溶溫度的升高，β晶粒的尺寸越大。在較高溫度下固溶處理，合金則具有較高的激活能，在高的激活能作用下，原板材變形過程中的存留的位錯會發生對消、合并，或形成亞晶，亞晶進一步合并，最后不斷多邊形化，形成粗大的等軸晶粒。endprint

2.4 熱變形及熱處理過程中的機械性能

Ti7Nb10Mo鈦合金在熱變形過程中不同狀態下的彈性模量、硬度和力學性能如表1所示。根據力學性能的變化可知：鍛造、熱軋和冷軋會提高合金的強度，但塑性較低，且變化不大；而固溶處理顯著降低合金的強度，提高合金的塑性。從彈性模量的變化可知：合金鍛造態的彈性模量較低，約為86GPa左右；固溶處理后，合金的彈性模量顯著增大。根據硬度的變化可知：鍛造、熱軋和冷軋會不斷提高合金的硬度。強度和硬度的提高主要是由于加工硬化和α相的析出硬化造成的。固溶處理后，由于靜態再結晶的軟化作用，使合金的強度顯著降低，而塑性顯著提高。

如圖6所示，對880℃、900℃固溶處理后的Ti7Nb10Mo鈦合金板材進行力學性能測試后得到，較低溫固溶后，拉伸強度較高，延伸率低，經較高溫固溶后，拉伸強度較低，延伸率較高。這表明，相比于900℃固溶處理，在880℃進行固溶處理，合金晶粒長大較慢，尺寸較小，最終的強度則越高，延伸率較低。對合金經880℃、900℃固溶處理后的彈性模量進行測定，合金彈性模量在95GPa～101GPa范圍內變化，且相差不大，說明不同溫度的固溶處理對合金彈性模量的變化影響不明顯。對比相同溫度下不同方向上的性能變化可知，縱向和橫向的拉伸強度、延伸率、彈性模量等性差異不大，表明板材經過固溶處理后，具有較好的各向同性性質。

3 結論

（1）Ti7Nb10Mo合金鑄錠經過熱軋及冷軋等加工，粗大的鑄態晶粒被破碎，原枝晶組織轉變為細小的等軸組織；合金硬度不斷增大，拉伸強度顯著提高，而延伸率逐漸降低。（2）經880℃/1h、900℃/1h固溶處理后的Ti7Nb10Mo合金板材，晶粒均勻長大，呈等軸狀分布；由于晶粒尺寸大小不同，經較低溫度固溶后，合金具有較高的拉伸性能和較低的延伸率，較高溫度固溶則反之。（3）合金在鍛態時能夠獲得優異的彈性模量，E約為86GPa，成品板材經固溶處理后彈性模量E明顯增大，約為95GPa～101GPa，且彈性模量E隨固溶溫度的影響變化不大。

參考文獻：

[1]黃伯云，李成功，等.中國材料工程大典第4卷有色金屬材料工程（上）[M].北京：化學工業出版社，2005.

[2]王金友，葛志明，周彥邦.航空用鈦合金[M].上海：上海科學技術出版社，1985.

[3]D.J.Lin，J.H， Chern Lin， C.P.Ju. Structure and properties of Ti-7.5Mo-xFe alloys [J]. Biomaterials.

[4]M.Ninomi，D. Kuroda，K. Fukunaga，et al.Corrosion wear fracture of new β type biomedical titanium alloys[J].Materials Science and Engineering A， 1999，263：193-199.

[5]M. Morinaga， M. Kato， T. Kamimura， et al. Theoretical design of β-type titanium alloys[C]. Titanium 1992'， Science and Technology， Proc.7th Int. Conf. on Titanium， San Diego，CA，USA，1992，p.276-283.endprint