复合变形制备超细晶工业纯钛的研究进展

随着经济的发展和人口老龄化的加剧,医用金属材料在创伤外科、整形手术和口腔医疗中的需求量越来越大。其中钛及钛合金具有优异的耐腐蚀性能和良好的生物相容性,因此被广泛应用。钛合金中含有对人体有害的合金元素,会使人体出现病症,因此不含合金元素的工业纯钛在生物医学材料领域越来越受到重视。近几十年来,国内外学者应用等径通道挤压(ECAP)技术成功制备出超细晶工业纯钛。但是ECAP技术制备超细晶材料存在细化和强化极限,而且ECAP道次数较多,工序复杂,生产效率低,对工件的尺寸和形状要求很高,因此限制了超细晶工业纯钛的应用。为了使工业纯钛的强度满足使用要求,并且开发出易于实际运用的加工技术,将ECAP与传统塑性加工相结合(复合变形技术)的研究和应用越来越多。工业纯钛先经多道次ECAP变形细化晶粒,再经传统塑性加工提高位错密度,其强度可增加到1000 MPa左右,并且保持良好的塑性。后变形使ECAP变形后的等轴晶粒被拉长,且分布不均匀,材料的力学性能表现出强烈的各向异性。复合变形可以运用较少道次的ECAP,缩短了加工周期。此外,通过后变形可以将材料加工成所需的成品形状,更易于生产和应用。复合变形后的超细晶工业纯钛进行低温退火可以提高材料的塑性,得到更优的综合力学性能。本文综述了复合变形制备超细晶工业纯钛的研究进展,分别对不同复合变形后工业纯钛的显微组织、力学性能、热稳定性和织构演变进行了介绍。对复合变形制备超细晶工业纯钛过程中存在的问题和今后的研究方向进行了总结和展望,以期为开发高效率易加工的复合变形技术提供参考。

旋锻对等径弯曲通道变形纯钛的显微组织及力学性能的影响

在室温下经4道次等径弯曲通道变形(ECAP)及旋锻复合变形制备超细晶纯钛。利用透射电子显微镜、拉伸试验测试和显微硬度测试等方法对比研究了旋锻对ECAP变形纯钛的显微组织和力学性能的影响。结果表明:ECAP变形后形成宽度约为400 nm的板条组织,板条边界位错密度明显较高,硬度值急剧增加;旋锻使ECAP剪切变形形成的板条组织消失,晶粒显著细化、晶界逐渐清晰,获得平均晶粒尺寸约为200 nm的等轴状超细晶组织,旋锻变形后的组织更均匀,位错密度较低,硬度值略有下降;旋锻变形使ECAP变形纯钛屈服强度和抗拉强度明显增大,增幅分别为26.3%和17%,塑性降低,伸长率约为12.3%。

工业纯钛等径弯曲通道变形过程中的孪生行为研究进展

室温下具有密排六方(hcp)晶体结构的钛,由于在晶体学上具有较低的对称性,只有4个独立滑移系,塑性变形能力差。工业纯钛的塑性变形机制主要为滑移和孪生,且孪生变形在塑性变形过程中起着重要的作用,显著地影响工业纯钛的显微组织及力学性能。等径弯曲通道变形(equal channel angular pressing, ECAP)是最具有工业应用前景的剧烈塑性变形技术之一,成功制备性能优异的超细晶(UFG)工业纯钛。本文综述了工业纯钛ECAP变形过程中的孪生行为及机制研究进展。重点从ECAP变形工艺:挤压温度、挤压道次、挤压速度、模具参数以及晶粒尺寸等方面详细论述了工业纯钛ECAP变形过程中的孪生行为,分析了工业纯钛ECAP变形过程中不同阶段的孪生机制,并指出工业纯钛ECAP变形过程中的孪生行为及机制研究中存在的问题及今后的研究方向。

应变比对复合细化超细晶纯钛低周疲劳行为的影响

采用等径通道弯曲挤压(equal channel angular pressing,ECAP)+旋锻(rotary swaging,RS)技术制备超细晶(ultra-fine grained,UFG)纯钛,细化后晶粒尺寸达到纳米级。在室温下对超细晶纯钛实施应变比分别为-1、-0.5、0.5的应变控制低周疲劳试验,通过TEM对微观组织观察。研究了应变比对材料循环硬化软化特性、循环应力应变关系及疲劳寿命的影响。结果表明,应变比增大使得超细晶纯钛循环硬化现象更为显著,应变比越大超细晶纯钛低周疲劳寿命越低。低周疲劳高应变比情况下亚晶晶粒尺寸小,数量多,阻碍位错运动,使得材料发生循环硬化。

超细晶纯钛疲劳裂纹扩展及裂纹尖端组织演变

采用疲劳裂纹扩展实验研究剧烈塑性变形制备的4种超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展行为,通过观察不同组织超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展路径,并对裂纹尖端塑性区进行显微硬度分布实验和显微组织观察,分析不同组织超细晶纯钛疲劳裂纹扩展的微观机制。结果表明,等径弯曲通道变形(equal channel angular pressing,ECAP)纯钛和旋锻后400℃退火纯钛的疲劳裂纹扩展路径曲折,而ECAP+旋锻变形纯钛和旋锻后300℃退火纯钛的疲劳裂纹扩展路径平直。循环载荷作用下,超细晶纯钛裂纹尖端区域的显微硬度和微观组织变化显著。其中ECAP+旋锻变形纯钛的组织位错密度和显微硬度降低,而ECAP变形和旋锻后退火纯钛的组织位错密度和显微硬度均升高。超细晶纯钛疲劳裂纹扩展过程中组织结构对位错运动的阻碍导致裂纹扩展方向改变,且裂纹尖端区域位错密度为显微硬度变化的主要影响因素。

超细晶纯钛疲劳裂纹的扩展行为

对纯钛进行2道次室温等径弯曲通道变形(ECAP)、等径弯曲通道变形加旋锻复合变形(ECAP+RS)并在旋锻后在300℃和400℃退火1 h,制备出4种具有不同组织的超细晶纯钛。对这4种超细晶纯钛进行疲劳裂纹扩展实验并观察分析超细晶纯钛的显微组织和疲劳断口的形貌,研究了裂纹的扩展行为。结果表明:显微组织对超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展门槛值和近门槛区有显著的影响;超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展门槛值随着塑性变形量的增大而增大,随着旋锻后退火温度的提高而降低;疲劳裂纹扩展速率曲线因超细晶纯钛晶粒尺寸和强度的影响出现转折,转折前ECAP+RS复合变形纯钛的抗疲劳裂纹扩展能力比ECAP变形强,且随着退火温度的提高而降低;转折后4种超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展速率相差较小,呈现出相反的结果。疲劳裂纹扩展寿命中转折前近门槛区裂纹扩展寿命占绝大部分,因而转折前的门槛值与近门槛区的扩展速率对抗裂纹扩展能力更为重要。