大塑性变形和离子渗氮对钛锆基合金性能影响的研究

钛、锆合金具有良好的生物相容性、抗蚀性、低密度以及低弹性模量，因而成为制备整形外科用器材的理想材料。目前，钛锆基合金用于外科植入材料的主要瓶颈是力学性能和摩擦学性能较差。

白俄罗斯国家科学院物理技术研究所的工程技术人员研究了等通道转角挤压和离子渗氮技术对钛锆基合金组织和性能的影响，以期得到具有优异综合性能的钛锆基可植入材料。实验以BT1-00钛合金、精炼的锆和锆－铌合金为研究对象，所有试样经表面磨光后光洁度均达到0.4 μm。等通道转角挤压在670～700 K进行，累计剪切变形e=2.1。离子渗氮试验参数:离子电流密度为2.0 mA/cm2，时间为90 min，温度为820 K，氮离子3 keV，其中约70%氮为分子状态，约30%的氮为原子状态。采用X射线分析、电子显微镜、硬度及表面显微硬度测试、磨损试验等对该合金材料在等通道转角挤压及离子渗氮过程中的组织和性能的变化进行了表征。实验结果发现，塑性变形能导致钛、锆合金组织和性能发生显著变化。对于钛合金，位错分布由随机变成互相关联，同时出现位错壁以及纳米级(100～300 nm)的晶粒。而在Zr-Nb合金中则发生了从β-Zr到α-Zr的相转变，合金的硬度得到了显著提高。但值得注意的是经过等通道转角挤压过程合金的耐磨性能并未得到明显提高。此外，离子渗氮使Zr-Nb合金表面生成了由富氮的固溶体及其它新相组成的具有耐磨、耐腐蚀性的的硬质层，还可以使其α/β相转变温度降低约50℃。总之，从实验结果可以推断，大塑性变形和离子渗氮复合处理可以使钛锆合金的综合性能改善，对其应用于制备承受大载荷的生物医用材料具有重要意义。