医用钛合金热变形行为研究*

张 超，李 伟，马 琳，赵丰停

(贵州大学材料与冶金学院，贵州贵阳550000)



医用钛合金热变形行为研究*

张 超，李 伟，马 琳，赵丰停

(贵州大学材料与冶金学院，贵州贵阳550000)

综述了国内外医用钛合金热变形行为的研究状况，探讨了医用钛合金热变形过程中流变应力的变化、动态再结晶和软化行为并指出医用钛合金今后的研究方向。

医用钛合金 热变形 流变应力 软化行为

0 引言

钛合金因具有强度高、耐腐蚀性好、耐高温、无磁、焊接性能好以及优良的生物相容性等特点而被广泛应用于各个领域，自从20世纪60年代 Branemark 将钛合金用作口腔种植体后，钛合金结束了单一作为航天材料的历史,钛合金开始在生物医用材料领域得到广泛的发展和应用[1]。医用钛合金的发展经历了三个时期[2]：α型、α+β型和β型医用钛合金，其中α型医用钛合金主要有纯钛和Ti-6Al-4V，Ti-6Al-4V医用钛合金含有对人体有毒的元素Al和V，并且弹性模量与人体骨骼相比弹性模量太高；α+β型医用钛合金主要有Ti-5Al-25Fe和Ti-6Al-7Nb，α+β医用钛合金不含对人体有毒的元素，弹性模量还是没有降低；β型医用钛合金由于弹性模量低，同时又具有较高的强度、耐磨性等特点，成为生物医用材料的主要研发方向。对医用钛合金进行热变形行为研究为改善其组织、优化其热加工工艺提供理论依据[3]，因此对医用钛合金的热变形行为及变形机制的研究为钛合金在医疗领域的应用提供实践经验和技术基础，具有重要的科学意义和学术价值。

1 医用钛合金热变形研究现状

在研究材料的热变形过程中，如果材料的组织发生变化，其流变应力就会发生变化，因此高温状态时流变应力是研究材料热变形行为的指标之一，用其来表示材料的变形能力。在热变形过程中，影响流变应力行为的三个因素为变形温度、应变量和应变速率。多年来学者们对改善医用钛合金的组织，医用钛合金的热变形进行了大量的研究。这些研究对以后医用钛合金的生产具有指导性的意义。金哲等[4]分析了Ti- 6Al- 7Nb医用钛合金热变形过程中在较低应变速率ε=0.001～0.100 s-1时，材料的软化机制主要受α动态再结晶影响，当应变速率较高如在ε=1～10 s-1时，在热变形过程中材料基本不发生再结晶；计算出了不同温度下变形激活能，并说明了不同温度下变形机制的主要控制因素和良性热加工区域的应变速率范围。刘延辉等[5]研究了TC20医用钛合金并分析了该合金在变形温度750～900℃和应变速率0.001～1.0 s-1时，TC20的变形行为及流变应力的变化规律；还分析了TC20合金在不同应变速率和不同温度下组织变化规律。刘延辉等[6]对TC20医用钛合金进行了热加工处理，分析了TC20医用钛合金材料的流变应力和微观组织受温度和应变速率的影响。郭爱红等[7]研究了β-Ti30Nb13Zr0.5Fe医用钛合金的热变形行为，在不同温度和不同应变速率下观察合金组织变化，并确定了β相区的热变形方程、应力指数和激活能。

2 热变形理论基础

医用钛合金变形加工按照温度划分可分为冷变形加工和热变形加工。热变形加工是金属材料在再结晶温度以上进行的塑性变形。医用钛合金热变形过程主要有位错滑移、位错攀移所造成的变形；异号位错抵消所造成的变形；空位或间隙原子定向扩散所造成的变形；晶界或界面移动所造成的变形[8]。在变形过程中，位错数量增加和位错运动，由于位错运动会使部分位错消失或位错的重新排列。钛合金组织中位错密度越高，则位错运动中越容易发生相互交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运动的障碍，造成位错塞积，产生形变能，应力继续增大软化行为加强，畸变能增大到形核所需的最小能量时在晶界处就会形核并长大，部分位错消失，畸变能降低[9]这个过程为动态回复。钛合金热变形变化过程的平衡状态决定了热变形过程中的应力应变。医用钛合金热变形过程中存在着加工硬化，同时又存在动态回复，因此钛合金热变形过程中存在加工硬化和动态再结晶两个过程[10]。为了获得性能更好的生物医用钛合金材料，需对材料进行进行热变形通过再结晶而获得满足使用的性能和组织。

2.1 流变应力

医用钛合金热变形中随着应力的增大不同温度和应变速率的流变应力曲线存在差异，主要有三种曲线形式[11]：1)当应力增加位错密度增加，位错运动造成位错扎钉和位错塞积，引起加工硬化这个阶段动态回复很小或不存在，加工硬化占主导地位，流变应力曲线呈现上升趋势。2)单峰值型流变应力曲线的存在，在峰值以前加工硬化占主导地位，因此曲线上升趋势明显，但是在峰值以后呈下降趋势，说明随着变形的进行，位错密度不断增加，存在动态回复，软化行为增强，这个阶段软化作用占主导地位，造成流变应力曲线在峰值以后呈现下降趋势。3)锯齿形流变应力曲线的存在，高温时原子振幅较大晶粒不断反复调整以有利于变形是流变曲线出现锯齿形波动现象，同时钛合金在热变形过程中还出现了不连续动态再结晶行为导致曲线波动。钛合金热变形过程存在着动态再结晶临界应变，判断钛合金热变形过程中是否发生动态再结晶的关键条件，准确把握钛合金热变形过程中的临界应变量是建立临界应变预测模型的关键[12-13]。

加工硬化是钛合金变形过程中随着应变量的增加引起位错密度增加和位错运动，同时又可能有变形孪晶生成，变形孪晶将钛合金基体分割成很多小块，孪晶界存在能垒阻碍位错运动，阻碍钛合金塑性形变，力学行为上表现为提高了医用钛合金材料强度，降低了塑性。动态再结晶是金属变形过程中随着应变量的增加，通过再结晶的方式消除加工硬化来达到相对平衡的一种过程，动态再结晶可分为部分动态再结晶和完全动态再结晶。

2.2 热形变过程中的软化行为

医用钛合金热变形实验中，变形量不同，温度不同，应变速率不同，真应力-应变曲线也会呈现多种形态。流变应力曲线可能呈现多种形状，可以用流变应力曲线的不同来研究医用钛合金热变形行为，从存在峰值应力流变应力曲线看，峰值应力以前真应力随着真应变的增加变化很大，说明峰值应力以前加工硬化起主导作用；峰值应力以后真应力呈现下降趋势或波动，形变继续进行，真应力稳定或波动，说明应力峰值以后发生了动态再结晶，[14]不连续动态再结晶造成软化行为。合金软化行为[15]分为动态软化行为和静态软化行为。钛合金热变形过程中温度比较高原子运动相对剧烈，钛合金组织中产生位错的原子将有可能发生正常排列位错密度就有可能降低，晶界和界面都可能运动重新正常排列对位错运动的阻碍作用降低，消除部分加工硬化。钛合金热变形中存在形变能，形变能增大到形核临界值是晶粒就会依附亚晶或杂质相长出新的晶粒，发生动态再结晶，钛合金热变形软化行为，消除晶粒内部加工硬化。发生动态再结晶位错密度降低，位错原子将正常排列，加工硬化部分被消除，力学性能得以恢复。低温时，主要依靠点阵缺陷运动和点缺陷相互结合；温度高时，位错运动频率加大，位错通过滑移和攀移相互抵消，位错密度得以降低。

3 模拟技术

模拟技术主要有物理模拟技术和数值模拟技术。这两种方法对评价工业方案对钛合金性能或成品质量的影响有着深远的意义。过去传统的检查方法，不仅浪费了大量的人力和物力，而且还没有全面的认识到钛合金在热变形过程中的变化规律。现代模拟技术的发展优化了钛合金的加工工业，节约了大量的物力和人力资源。物理模拟技术把工业加工过程再现于实验设备上，模拟来反映原型的一种研究方法，要求放大或缩小试样比例，或者简化条件，或者代用材料。钛合金在热变形过程中就可以应用物理模拟技术来研究钛合金的变化规律，利用实验装置呈现出医用钛合金热加工过程中的受热和受力的过程，揭露出医用钛合金热变形过程中的组织变化和性能变化规律[16]。随着物理模拟技术的发展物理模拟实验装置也在不断更新，目前世界广泛使用的物理模拟实验设备是美国动态公司开发和生产的Gleeble系列热模拟机。该热模拟机热变形加工模拟采用计算机控制的液压待服系统、负荷传感器及激光测变形系统、冷却系统、电阻加热系统、ISO-T压头和激光夹头系统及低值力测力夹头系统[17]。数值模拟技术是利用数值分析医用钛合金在热变形过程中组织和性能变化规律[18]。三维模拟技术的发展，数值模拟也逐渐走向成熟化，数值模拟软件的开发促进了数值模拟在钛合金热变形工艺过程中的应用。模拟技术的发展为研究医用钛合金材料的性能有着指导性的意义。

4 医用钛合金研究方向

随着人们生活水平的提高，人们对自身健康问题也越来越关注，世界人口老年化问题严重，医疗领域对生物医用材料的需求加大，研究生物医用钛合金具有广阔的应用前景。研究生物相容性更好、弹性模量更低的新型生物医用钛合金来满足医用领域的需求，也成为当今世界研究医用材料的主要方向之一。就目前的研究现状来看，医用领域使用最多的钛合金材料仍然是Ti-6Al-4V，而β医用钛合金相比于α和α+β医用钛合金综合性能更优，弹性模量与人体相近，研究β生物医用钛合金也成为研究医用钛合金主要方向之一。目前β医用钛合金已有研究，部分β医用钛合金已经投入医疗领域使用，但是β医用钛合金的综合性能还没有达到要求，并且存在一些问题。β医用钛合金存在的一些问题还需要进一步研究。不仅β医用钛合金没有得到充分研究，而且在整个医用钛合金领域的研究都还不够充分，还需要进一步的探索，包括生物医用钛合金的设计方法、制备工艺和性能测试等方面的研究。对生物医用钛合金组织、力学性能和生物相容性的研究都还不够充分。目前应用到医疗领域的医用钛合金材料的生物相容性和耐磨性还没有达到想象中的这么优异，还需要进一步研究，开发出综合性能更好更廉价的生物医用钛合金。设计出更好的生物医用钛合金的设计方法、制备工艺和性能测试的方法，为以后新型医用钛合金的研发打下基础。医用钛合金研究方向[19-22]：1)研究廉价和性能优异的β医用钛合金，β医用钛合金虽然已经应用到医学领域，但是价格昂贵，各方面性能还不够完善。2)研究合金元素对生物医用钛合金综合性能。3)国内应用的生物医用钛合金大多依赖进口，我国应该加强对生物医用钛合金的研究，尽快能自主生产综合性能优异并且廉价的生物医用钛合金材料。4)大力开发材料表面改性的研究[23]，提升材料的生物相容性和耐磨性。

5 结语

生物医用钛合金热变形行为因合金成分、热变形参数和初始组织的不同而不同。α+β生物医用钛合金热变形实验中，α相区和β相区都发生形变，在热变形过程中出现绝热效应发生部分相变。β医用钛合金热变形行为在低温和高应变速率下主要通过位错攀移和位错交移实现动态回复；高温低应变速率变形机制主要为位错滑移[24]。研究医用钛合金热变形的流变应力曲线，可以得出钛合金在热变形过程中的组织变化和各阶段是否发生再结晶，近年来开发了多种性能优异的β医用钛合金，但目前临床广泛使用的材料仍然为纯钛和Ti-6Al-4V合金为主，且因其主要存在弹性模量与人体骨骼相差太大，力学不相容，耐腐蚀性能差等问题，故钛合金在医疗领域研究还不够充分，造成了钛合金在医疗领域应用的限制。生物医用钛合金热变形的目的是通过发生动态再结晶来获得满足使用要求的性能和组织但还存在着众多问题，需要进一步探索。

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Study on hot deformation behavior of medical titanium alloy

ZHANG Chao，LI Wei，MA Lin，ZHAO Fengting

The research results about hot deformation behavior of medical titanium alloy at home and abroad were review. That the change of flow stress in the process of hot deformation of medical titanium alloy, dynamic recrystallization and softening behavior were discussed. At last point out the research direction of the medical titanium alloy in the future.

Medical titanium alloy, thermal deformation, flow stress, softening behavior

TG146.2+3

A

1002-6886(2016)06-0085-04

贵州省科学技术基金项目(黔科合J字[2013]2102号)。

张超(1992-)，贵州铜仁人，男，本科生。

2016-05-29