热处理温度对TC20钛合金细晶棒材组织和性能的影响

TC20钛合金具有较低的密度、合适的强度以及优良的生物相容性、耐腐蚀性、可加工性等特点,被广泛用作生物医用材料。细小均匀且稳定的显微组织是保障和提高TC20钛合金产品使用寿命的关键,因而研究相同加工条件下,热处理制度对棒材组织及性能的影响具有重要意义。为此,对TC20钛合金细晶棒材进行了不同温度下的热处理实验,分析了经不同温度热处理后棒材的显微组织和力学性能变化。结果表明:热处理温度对T20钛合金棒材显微组织的影响较显著,随着热处理温度的升高,细晶棒材强度持续降低,在800℃处理时强度降低幅度最大,而塑性基本不变。

轧制工艺对TC20钛合金小规格棒材组织和力学性能的影响

采用两种轧制工艺制备了TC20钛合金Φ13.5mm小规格棒材,利用光学显微镜和万能拉伸试验机分析不同轧制工艺对TC20钛合金小规格棒材的组织与力学性能的影响。结果表明:两种轧制工艺制备的棒材组织分别为典型的双态组织和等轴组织,等轴组织的拉伸变形时在α相个别晶粒中以滑移开始的,在合金断裂前可产生很大的变形,从而获得较高的塑性;而由少量初生α相和大量细小弥散的次生α相的双态组织,引起的弥散强化效果更明显,在变形过程中易形成应力集中,因此,棒材的抗拉强度和屈服强度较高;两种轧制工艺制备的棒材组织均符合ETTC2中A1~A9的要求。

基于极性交互模型的TC20钛合金工艺参数优化及高温变形行为

利用Gleeble-3800热模拟试验机对TC20钛合金进行了等温恒应变速率压缩实验,研究了其在变形温度940~1030℃、应变速率0.001~10 s^-1条件下的高温变形行为。根据实验所获得的数据,建立了包含Z参数的Arrhenius本构模型,并计算了变形激活能。结果表明:TC20钛合金的流动应力随变形温度的升高而减小,随应变速率的增加而增大,其变形激活能远高于纯α钛和β钛的自扩散激活能。基于极性交互模型原理,构建了PRM加工图。通过观察变形失稳区和稳定区的显微组织,发现失稳区的变形机制为局部流动,稳定区的变形机制为球化和动态再结晶。经综合分析,确定了TC20钛合金的最佳热加工工艺参数范围为:变形温度955~995℃,应变速率0.032~0.32 s^-1和变形温度1000~1030℃,应变速率0.001~0.018 s^-1。

TC20钛合金生物摩擦学性能研究

通过往复摩擦试验与电化学腐蚀试验,对新型人工关节替代材料TC20钛合金的相关性能展开研究,合理评价其作为关节替代材料的适用性及可靠性。研究结果表明,TC20钛合金在干摩擦条件下摩擦系数达到稳定的时间最长,且稳定后摩擦系数受外加载荷的影响最大;在小牛血清溶液中的摩擦系数最小,稳定后保持在0.33左右波动;干摩擦条件下的磨损最为剧烈,磨痕主要以犁沟形貌为主,磨损机理主要以粘着磨损及磨粒磨损为主,在较大载荷作用下开始出现疲劳磨损形貌;溶液中的磨损主要以粘着磨损为主,相同法向载荷下,生理盐水中的磨损更为剧烈;另外,TC20钛合金在两种溶液中的初始耐蚀性相差不大,但在生理盐水中,其表面能够在短时间内形成一层可有效保护基体的氧化膜。

热加工工艺对TC20钛合金板材组织和性能的影响

本文主要研究了板坯制备工艺、板材轧制工艺和热处理工艺对TC20钛合金板材显微组织和力学性能的影响。显微组织分析表明,在板材制备加工过程中,板坯锻造采用多次镦拔或者板坯轧制采用交叉轧制,成品板材的显微组织主要由等轴初生α相和β转变相组成,组织均匀性良好。否则,成品板材的显微组织会出现条状和等轴初生α相共存的现象,显微组织均匀性变差。采用镦拔板坯+纵横向变形比趋于一致的交叉轧制工艺,热处理制度为(740℃~800℃)/1h,空冷的工艺组合时可以获得由等轴初生α相和β转变相组成的均匀显微组织,组织评级可以满足ETTC2标准中要求的A3~A6级。力学性能分析表明,热加工工艺对室温拉伸力学性能影响不明显,均能满足GB/T13810-2017标准要求。

不同热处理工艺对TC20钛合金棒材组织和力学性能的影响

研究了不同热处理工艺对TC20钛合金棒材显微组织和力学性能的影响。结果表明:TC20钛合金经过两相区固溶+时效处理后得到双态组织,通过控制固溶冷却方式以及时效温度可调整初生α相含量以及次生α相含量和尺寸,改善其强度和塑性的匹配。采用940℃/1 h/WQ+700℃/30 min/AC+550℃/6 h/AC三重热处理工艺,在保证强塑性较佳匹配的同时,可以有效解决棒材直线度问题。

固溶时效对TC20钛合金显微组织和力学性能的影响

对TC20钛合金进行不同的固溶时效处理,通过室温拉伸试验和平面应变断裂韧性试验,结合光学显微镜、扫描电镜和显微维氏硬度计等测试方法,分析了不同的固溶时效处理工艺参数对TC20钛合金显微组织、力学性能和断口形貌的影响。结果表明:当固溶温度一定时,随着时效温度的升高,合金的强度和硬度提高,塑性和韧性下降。当固溶时效工艺为950℃/0.5 h(水冷,WQ)+500℃/4 h(空冷,AC)时,合金可实现良好的强韧性匹配,此时合金的抗拉强度为1106 MPa,屈服强度为1019MPa,断裂韧性高达87.6MPa·m1/2。未经固溶时效处理的锻态TC20钛合金拉伸和紧凑拉伸(CT)试样,其断口呈现典型的韧性断裂形貌特征,而经不同固溶时效处理的试样断口主要以准解理断裂和解理断裂为主。随着时效温度的升高,拉伸试样断口表面逐渐出现二次裂纹和空洞,塑性逐渐降低,CT试样的韧窝尺寸逐渐变小变浅,断裂韧性逐渐降低。

TC20钛合金的变形热效应和局部流动行为

借助Gleeble-3800热力模拟试验机对锻态TC20钛合金进行了等温恒应变速率压缩试验,研究了该合金在变形温度为940~1030℃、应变速率为0.001~10s^(-1)条件下流动应力的变化规律。根据试验数据,计算了不同变形条件下的温升值,分析了变形热产生的规律特征。基于应变速率敏感指数m等值线图和失稳图的叠加图,结合组织观察验证,分析了热变形参数对TC20钛合金局部流动行为的影响。结果表明,TC20钛合金的流动应力随变形温度的升高而减小,随应变速率的增加而增大。变形热效应造成的温升随应变速率的增加而增大,随变形温度的升高而降低。合金在变形温度为940~990℃,应变速率为0.32~10s^(-1)下变形时,随着变形温度的降低和应变速率的增加,合金易发生局部流动。

热轧温度对TC20合金坯料冷轧成形性的影响

研究了在1000,940,850℃不同温度热轧的TC20合金坯料在冷连轧过程中的变形与失稳情况,结合热轧棒材组织和室温压缩的实验结果,表明:热轧温度越低,冷轧成形性越差。850℃热轧的TC20合金棒坯纵向组织中α相呈连续纤维状,冷连轧成形性比较差,极限变形量仅40%左右; 1000℃的热轧坯料组织中β相占比增加,冷连轧变形量可以达到60%,同时,其室温压缩实验过程中断裂压缩率高,塑性变形阶段加工硬化速率较小。通过室温压缩实验可直观评价TC20合金丝材的冷轧成形性能。