高压固溶处理对β钛合金微观结构与弹性模量的影响*

孙润根，张德闯，林建国

(湘潭大学 材料科学与工程学院，湖南 湘潭 411105)

新型β钛合金具有优良的生物相容性、较好的生物黏附性、良好的耐腐蚀性、抗疲劳性能等优异性能，已成为一种极具临床应用前景的生物硬组织材料[1-3].然而β钛合金弹性模量一般在80 GPa以上，与人体骨骼的最大值 30 GPa 相距甚远[4].从生物力学相容性来看，与人体骨骼相比，钛合金的弹性模量远高于人体骨骼的弹性模量，会导致“应力屏蔽效应(stress shielding)”[1,5].因此，植入体与生物组织难以牢固结合，最终造成植入体的松脱、断裂等失效行为.弹性模量等力学性能不匹配是β钛合金临床应用面临的主要问题之一.研究表明，高压对金属材料的微观结构和性能有着显著的影响[6].例如，在高压凝固条件下，Al-Mg合金显微组织中原枝晶初生相变成胞状，共晶相基底被抑制而消失[7]；5.5 GPa 1 400 ℃下石墨可转化成了小粒度金刚石[8]；TZAV-30冷锻合金经高压固溶处理，组织产生大规模α"相变，弹性模量显著降低[9].因此，高压固溶处理是一种有效的金属材料性能优化方法.本文以Ti-26Nb合金为研究对象，进行95%的冷轧变形处理，然后5 GPa下进行高压固溶处理.研究高压固溶处理对β钛合金微观结构与弹性模量的影响规律，探索降低β钛合金弹性模量的有效方法.

1 实验方法

本实验研究对象是Ti-26Nb(原子分数)合金.原材料为99.99%钛材和99.95%铌材，按照w(Ti)∶w(Nb)=59.45%∶40.55%进行配比，所得原料用酒精超声波清洗，除去油污杂质.合金锭选用真空熔炼炉制备，在氩气氛围下熔炼钛、铌金属块，为达到合金均匀化效果，铸锭正反面熔透反复6次.采用双棍轧机对铸锭进行冷变形，变形量95%.变形后样品使用电火花线切割(DK88)处理成Φ10 mm的圆片，得到的圆片使用铰链六面顶设备(CS-IB)进行高压固溶处理，固溶处理压力分别为常压和5 GPa，固溶处理温度均为750 ℃，固溶处理时间均为30 min.

分别表征两组固溶处理样品相组成，采用XRD衍射仪(U1tima IV)，靶材为Cu-Kd，管电压为40 kV，管电流为200 mA.分别表征两组固溶处理样品的SEM显微组织，样品依次用400#、600#、800#、1200#、1500#、2000#鹰牌水磨砂纸打磨，之后抛光机采用5000#抛光膏对样品抛光，完成后的样品使用腐蚀剂(V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=5%∶10%∶85%)腐蚀金相组织，后用SEM(JSM-6360)显微成像.采用TEM表征5 GPa高压固溶处理样品的微观组织，样品使用电火花线切割处理成Φ3 mm圆片，2000#水磨砂纸打磨圆片至30 μm，后采用电解质(V(H2SO4)∶V(CCH3OH)=10%∶90%)在电解双喷仪(DJ-2000)中持续减薄至2 μm以下，后运用TEM(JEM-2100)表征微观组织.分别表征两组固溶处理样品弹性模量，按照SEM制样要求，将样品打磨抛光后采用纳米压痕仪测量弹性模量，载荷50 mN,保载2 s.分别表征两组固溶处理样品维氏硬度，维氏硬度计(HV-1000)测试载荷300 g，保载5 s.

2 结果与讨论

2.1 高压固溶处理对β钛合金的微观结构的影响

图1是常压和5 GPa固溶处理后钛合金的XRD图谱.从图中可以看出，常压固溶处理后的钛合金仅有β相衍射峰，而5 GPa固溶处理得到的钛合金除了出现β相衍射峰之外，还有α"衍射峰.因此，常压固溶处理后的钛合金微观组织仅由单一的β相组成，5 GPa固溶处理得到的钛合金由β、α"两相组成.由此可见，高压固溶处理可显著抑制了α"-β马氏体逆相变.

图2是常压和5 GPa固溶处理后β钛合金的扫描电镜图.由图2可知，冷轧变形的β钛合金经固溶处理后均发生完全再结晶，得到均匀的等轴晶粒.其中，常压固溶处理后的β钛合金平均晶粒尺寸约32 μm，高压固溶处理后的钛合金平均晶粒尺寸约8 μm.仔细观察发现，图2(b)中有大量针状马氏体相存在.因此，高压固溶处理可显著细化合金的组织结构.

为了进一步对高压固溶处理后的β钛合金的马氏体相进行分析，对该合金进行了透射电镜表征，如图3所示.图3(a)、(b)分别是5 GPa固溶处理后β钛合金马氏体相明场像和高分辨图.由图3可知，马氏体相形貌为针状，紧密排列，其晶面为α" (022)，晶格取向为α" [100].同时由马氏体相高分辨图发现，5 GPa固溶处理组织存在微区孪晶，这是由于高压抑制形变储能释放，导致位错运动能力降低，发生低于一个原子间距的位移，形成孪晶[11-12].

2.2 高压固溶处理对β钛合金弹性模量的影响

图4是常压和5 GPa固溶处理后β钛合金的弹性模量与显微硬度变化图.由图可知，常压固溶处理后的钛合金的弹性模量和硬度分别为74.58 GPa、159.56 HV.5 GPa固溶处理后的钛合金的弹性模量和硬度为52.98 GPa、137.80 HV，分别下降了21.6 GPa、21.76 HV.这是因为β钛合金经高压固溶处理产生大量马氏体所致.β-α"马氏体相变过程中，体积增大，原子间距增大，原子之间键合力减小，弹性模量降低.高压固溶处理会降低该值并导致弹性模量下降，该研究结果与燕山大学于栋利教授高压固溶处理TZAV-30合金的结果是一致的[9].

3 结论

分别在常压和5 GPa下对冷轧变形量为95%的β钛合金进行固溶处理，研究高压固溶处理对β钛合金微观结构与弹性模量的影响规律，探索降低β钛合金弹性模量有效方法.研究结果如下：

(1) 高压固溶处理对β钛合金微观结构影响显著.常压固溶处理的钛合金微观结构由单一的β相组成，而5 GPa固溶处理得到钛合金由β和α"两相组成.高压固溶处理可降低微观结构尺寸，5 GPa固溶处理得到的钛合金组织由小于10 μm的β相微晶和针状马氏体组成.

(2) 高压固溶处理可降低合金的弹性模量.经5 GPa固溶处理的β钛合金弹性模量为52.98 GPa，明显低于常压固溶处理的β钛合金.这是因为β钛合金经高压固溶处理产生大量马氏体，与β相相比，马氏体体积增大，导致原子间距增大，原子之间键合力减小，弹性模量降低.