等径角挤压和离子渗氮处理医用钛、锆基合金

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性能较差。为得到具有优异综合性能的钛、锆基可植入材料，研究了等径角挤压和离子渗氮处理对钛及锆合金组织和性能的影响。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的光洁度均达到0.4 μm。等径角挤压在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，其中约70%的氮为分子状态，约30%的氮为原子状态。采用X射线分析、电子显微镜分析、硬度及表面显微硬度测试、磨损试验等方法对合金材料在等径角挤压及离子渗氮处理前后的组织和性能变化进行了表征。实验结果表明，塑性变形会导致钛合金、锆合金的组织和性能发生显著变化。对于钛合金，位错分布由随机分布变成互相关联，同时出现位错墙以及纳米级(100～300 nm)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，经过等径角挤压，合金的耐磨性能并未得到明显提高。此外，离子渗氮除了使Zr-Nb合金表面生成具有耐磨、耐腐蚀性的硬质层，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改善钛合金、锆合金的综合性能，对其制备承受大载荷的生物医用材料具有重要意义。