大塑性變形和離子滲氮對鈦鋯基合金性能影響的研究

鈦、鋯合金具有良好的生物相容性、抗蝕性、低密度以及低彈性模量，因而成為制備整形外科用器材的理想材料。目前，鈦鋯基合金用于外科植入材料的主要瓶頸是力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能較差。

白俄羅斯國家科學(xué)院物理技術(shù)研究所的工程技術(shù)人員研究了等通道轉(zhuǎn)角擠壓和離子滲氮技術(shù)對鈦鋯基合金組織和性能的影響，以期得到具有優(yōu)異綜合性能的鈦鋯基可植入材料。實(shí)驗(yàn)以BT1-00鈦合金、精煉的鋯和鋯－鈮合金為研究對象，所有試樣經(jīng)表面磨光后光潔度均達(dá)到0.4 μm。等通道轉(zhuǎn)角擠壓在670～700 K進(jìn)行，累計(jì)剪切變形e=2.1。離子滲氮試驗(yàn)參數(shù):離子電流密度為2.0 mA/cm2，時(shí)間為90 min，溫度為820 K，氮離子3 keV，其中約70%氮為分子狀態(tài)，約30%的氮為原子狀態(tài)。采用X射線分析、電子顯微鏡、硬度及表面顯微硬度測試、磨損試驗(yàn)等對該合金材料在等通道轉(zhuǎn)角擠壓及離子滲氮過程中的組織和性能的變化進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，塑性變形能導(dǎo)致鈦、鋯合金組織和性能發(fā)生顯著變化。對于鈦合金，位錯分布由隨機(jī)變成互相關(guān)聯(lián)，同時(shí)出現(xiàn)位錯壁以及納米級(100～300 nm)的晶粒。而在Zr-Nb合金中則發(fā)生了從β-Zr到α-Zr的相轉(zhuǎn)變，合金的硬度得到了顯著提高。但值得注意的是經(jīng)過等通道轉(zhuǎn)角擠壓過程合金的耐磨性能并未得到明顯提高。此外，離子滲氮使Zr-Nb合金表面生成了由富氮的固溶體及其它新相組成的具有耐磨、耐腐蝕性的的硬質(zhì)層，還可以使其α/β相轉(zhuǎn)變溫度降低約50℃。總之，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推斷，大塑性變形和離子滲氮復(fù)合處理可以使鈦鋯合金的綜合性能改善，對其應(yīng)用于制備承受大載荷的生物醫(yī)用材料具有重要意義。