外科植入物用Ti-5Al-2.5Fe合金的机械性能及生物相容性

在实验室及扩大试验条件下,研究了专门为外科植入物设计的钛合金———Ti-5Al-2.5Fe合金的机械性能及生物相容性。结果表明,Ti-5Al-2.5Fe合金性能优良,价格低廉,生物相容性好,是理想的生物植入材料。

显微组织及模拟生物体环境对生物体用Ti-5Al-2.5Fe合金疲劳裂纹扩展特性的影响

以整形外科为中心的金属系生物体用材料有不锈钢(Sus316L)以及Co-Cr-Mo合金，最近耐蚀性和生物体相容性好的钛及钛合金使用量增加。由于Ti-6Al-4V中含有对人体有毒的V元素，为此开发了用铁或铌置换B稳定化元素V的Ti-5Al-2．5Fe和Ti-15Al-7Nb合金，合金分别在ISO和ASTM及ISO标准中登录，期待扩大在生物体上使用。但是对两合金的各种特性研究不够，作为生物体用的重要特性之一的疲劳性能也不例外。

基于机器学习的Ti-5Al-1.5Mo-1.8Fe低成本钛合金热加工图预测

为了研究Ti-5Al-1.5Mo-1.8Fe低成本钛合金的热变形行为,运用Instron 5869压缩实验机进行热压缩实验。构建了以变形温度、应变速率、应变为输入变量和流变应力为输出变量的6种机器学习模型,预测不同条件下该合金的流变应力值并评估检验模型的预测性能。根据预测表现最好的LSTM神经网络模型的预测数据绘制预测加工图,对照实验加工图评估检验其预测能力。结果表明:预测加工图能够较为准确地反映出Ti-5Al-1.5Mo-1.8Fe合金在应变为0.499时的可加工区域,与实验加工图的吻合程度较高,该方法能较好地预测Ti-5Al-1.5Mo-1.8Fe合金的热变形行为。

Y/Al-5Ti-1B复合变质对Al-7Si合金微观组织和力学性能的影响

在传统铸造Al-Si合金中存在的粗大树枝晶α-Al相以及针状共晶Si严重割裂基体,显著降低合金的力学性能。为细化Al-Si合金的组织,提升其力学性能,本文使用扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)以及万能材料试验机,研究了不同添加量Y/Al-5Ti-1B变质剂(Al-5Ti-1B均为2%,稀土Y分别为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%,质量分数)对Al-7Si合金微观组织和力学性能的影响,并探究了其对Al-7Si合金的变质机理。实验结果表明,当Al-5Ti-1B含量为2%、稀土Y含量为0.4%时,变质效果最佳,共晶Si由粗大针状变为细小颗粒状,长和宽分别减小至2.7和0.8μm,相较于未经变质处理的Al-7Si合金,减小了90.6%和4.7%。合金抗拉强度由原来的168.1 MPa提升至209.1 MPa,增加了24.4%。同时伸长率从6.23%提升至9.62%,增长了54.4%。此外,合金的断裂方式也从脆性断裂转变为韧-脆混合断裂。

退火工艺对Ti-4.5Al-2.2V-0.1Fe合金组织结构及力学性能的影响

利用X射线衍射、扫描电镜和电子万能试验机等研究了不同退火工艺对挤压制备的Ti-4.5Al-2.2V-0.1Fe合金组织结构和力学性能的影响。结果表明:退火后,合金的X射线衍射峰略向左偏移,说明其晶格发生膨胀。制备态合金的组织以网篮组织为主,退火后获得了少量魏氏组织、双态组织和等轴组织。960℃+570℃退火后合金显微硬度达542.5 HV1;760℃退火后合金的拉伸强度与塑性匹配较优,并且其压缩塑性较好,韧窝多且深,其压缩应变值为27.4%,960℃+570℃退火后合金的压缩强度较高,达1738 MPa。总之,经760℃退火后,Ti-4.5Al-2.2V-0.1Fe合金的强度与塑性匹配较优,综合性能良好。

快速凝固Al-2.5Ti-2.5Fe合金显微组织及热稳定性的研究

采用单辊旋铸技术制备 Al- 2 .5 Ti- 2 .5 Fe合金薄带 ,利用 DSC分析、X射线衍射和透射电镜来分析该合金的急冷态和退火态组织 ,测定了合金在不同温度下退火 10 h后的显微硬度。结果表明 ,快速凝固 Al- 2 .5 Ti- 2 .5 Fe合金急冷态组织中存在两种初生相 :Al3Ti相和 Al5Ti2 相 ;而经 30 0℃退火 10 h后 ,将发生亚稳相 Al5Ti2 向稳定相 Al3Ti的转变 ;经 4 0 0℃退火 10 h后 ,组织中出现了平衡稳定相 Al1 3Fe4 ,且在热处理过程中弥散析出

Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金多道次热变形行为及微观组织演变

利用Gleeble-3500热模拟试验机对Ti-4Al-2.5V-1.5Fe钛合金进行总变形量为50%的多道次热压缩模拟实验,研究合金在变形温度为850~1000℃和应变速率为0.01~1 s^-1条件下多道次压缩过程中的热变形行为及微观组织演变规律。结果表明:合金流变应力随变形温度升高和应变速率降低而逐渐降低;不同变形温度下,随应变速率降低,合金软化率均呈现逐渐升高趋势,且软化率随变形温度的升高趋于稳定;各道次间隔时间内由于回复与再结晶,合金均出现不同程度的静态软化现象;在变形温度950~1000℃、应变速率0.01~0.1 s^-1范围内,合金组织得到不同程度的细化和均匀化,并发生回复与再结晶现象,此时合金的热加工性能稳定,有利于热塑性变形,适宜进行热轧成形。

固溶时效对Ti-5Al-3V-1Mo-1Zr钛合金钻杆组织演变及力学性能的影响

利用激光共聚焦显微镜(CLSM)、电子扫描显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和力学性能测试等手段分析相变点上两阶段固溶时效(TSSA)对Ti-5Al-3V-1Mo-1Zr钛合金钻杆片层组织演变规律及力学性能的影响。结果表明:通过采用相变点上TSSA工艺获得了全片层转变组织,随时效温度的升高,全片层转变组织的晶界α相平均宽度由5.5μm增至9.0μm,集束内的α片层平均宽度由2.75μm增至3.95μm,材料抗拉和屈服强度变化幅度均小于0.15 MPa/℃;与原始挤压态相比,钛合金的冲击功增加74.07%,材料冲击功与α片宽度满足Hall-Petch关系;经(1000℃, 1 h,炉冷(FC))→(600℃, 1 h,空冷(AC))+(550℃, 6 h,AC)热处理后钛合金具有良好的综合性能匹配,其屈服强度为894 MPa,夏比V型缺口冲击功(-20℃)为46 J,伸长率为7.5%。

Ti-2Al-2.5Zr合金管、板材织构研究

利用 X射线衍射极图测量技术 ,研究了 Ti- 2 Al- 2 .5 Zr合金轧制、拉拔管材的退火织构 ,并与轧制板材的织构进行了对比分析。结果表明 :轧制管材环向主织构由棱锥织构 { 10 1- 5 }和基面织构 (0 0 0 1)等组成 ;而轴向主织构则包括棱柱织构 { 10 1- 0 }和 { 112-0 }等棱锥织构 ;拉拔管材退火织构类型与轧制管材相似 ,但其主织构成分及强度与轧制管材相比则发生较大变化 ;

Fe元素微量添加对Al-5Ni高导热合金性能及流变行为的影响

Al-Ni近/共晶合金兼具高强韧和高导热性能,Ni在Al中的共晶成分点较其他常见过渡族元素更高,其铸件在热管理材料领域具有可观的应用潜力。研究了微量添加Fe元素对Al-5wt%Ni合金的微观组织、导热系数、力学性能和流变行为的影响。结果表明,Al-5wt%Ni中添加0.1wt%Fe元素可实现α-Al晶粒的显著细化,(α-Al+Al3Ni)共晶组织球化且第二相分布更为均匀。当Fe元素添加量在0.1wt%时,Al-5wt%Ni合金导热系数和力学性能同步提升,导热系数由211.4 W/(m·K)提升到218.8 W/(m·K),抗拉强度由132.5 MPa提升到170.9 MPa。通过高温熔体库埃特粘度仪表征合金熔体流变行为,发现添加0.5wt%Fe元素在Al-5wt%Ni合金中会导致该液态熔体粘度上升,但645℃时其剪切稀薄特性更强。

Ti-2Al-2.5Zr合金再结晶特性及动力学机制

在650℃～850℃范围内研究了单相α钛合金Ti－ZAl－2．5Zr的再结晶特性与动力学规律。结果表明：Ti－ZAl－2．5Zr合金管材在700℃～750℃下进行真空退火，可获得完全再结晶等轴组织，晶粒细小、均匀。Ti－ZAl－2．5Zr合金再结晶过程遵循Avrami-Ero－feev动力学模型，其具体方程为[－ln（1-α）]1/4=kt，温度对再结晶速率有明显影响。Ti－2Al-2．5Zr合金的再结晶活化能计算值为115．25kJ／mol。

热等静压处理对超低温Ti-5Al-2.5SnELI合金铸造组织与性能的影响

研究了热等静压处理对Ti-5Al-2.5SnELI合金铸造组织、抗拉性能、冲击性能的影响。试验结果表明,热等静压处理使铸态的柱状晶粒转变为等轴晶粒,并且使位错发生运动,缠结中的位错重新组合,位错密度下降,内应力得到释放,导致强度下降,塑性提高,冲击性能提高。

Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe合金的高温塑性变形行为

在Gleeble-1500热模拟机上对Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe合金进行高温热压缩实验,研究该合金在变形温度为750~900℃、应变速率为0.001~1 s 1条件下的流变应力行为。利用光学显微镜分析合金在不同变形条件下的组织演化规律。结果表明：合金的流变应力随着应变速率的增大和变形温度的降低而增大;流变应力随着应变的增加而增大,出现峰值后逐渐趋于平稳;变形过程中的流变应力可用Arrhenius双曲正弦本构关系来描述,平均变形激活能为454.2 kJ/mol;各种变形条件均可细化原始晶粒尺寸。随着温度的升高和应变速率的降低,合金的主要软化机制由动态回复逐渐变为动态再结晶;在（α＋β）相区变形（750~850℃）时,α相对β晶粒的动态再结晶的发生起到阻碍作用。

Ti-2Al-2.5Zr合金在300℃碱性水中氧化的表面分析

利用原位 AES深度分析 ,XRD,和 XPS方法研究了 Ti- 2 Al- 2 .5 Zr合金在 30 0℃碱性水中氧化 130 0 0 h所形成的氧化膜的结构、成分和价态 ,及其随深度的变化。结果表明 ,氧化膜是由板钛型 Ti O2 、Al2 Ti O5(Ti O2 ·Al2 O3) ,Ti3O5,Ti2 O3和 Ti O所组成 ,氧化膜由表面到基体基本是按以上顺序交迭构成。通过 XPS和原位 AES分析发现钛合金表面形成由 Ti O2 ,Al2 Ti O5(Ti O2 ·Al2 O3) ,Ti3O5组成的较为稳定的厚约 80 0 nm的 Ti4 + (Ti O2 )层 ,随深度的增加出现了 Ti3+ (Ti3O5,Ti2 O3)和 Ti2 + (Ti O) ,直至基体 ,氧化膜总厚度约 30 0 0 nm。

Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe合金热加工图及其组织演变

采用热模拟试验机对Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe合金进行等温压缩试验,获得变形温度为750~900℃和应变速率为0.001~1 s 1时的真应力真应变曲线,并运用修正后的试验数据建立真应变为0.7的热加工图。通过显微组织观察,分析合金的变形机理,确定热变形失稳区。研究结果表明：Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe合金加工温度范围较宽,当加工温度低于800℃且变形速率大于0.1 s 1时易发生绝热剪切,造成流变失稳;随着变形温度升高,功率耗散因子η有增大趋势,合金的流动软化机制由动态回复逐渐变为动态再结晶,显微组织也随之细化、均匀。

Ti-5Al-2.5Sn合金粉末热等静压压坯的致密化行为及性能

粉末冶金近净成形工艺能够制备性能要求高、结构复杂的钛合金构件。将洁净Ti-5Al-2.5Sn预合金粉末封装在低碳钢材料制造的包套中,采用热等静压进行了粉体的致密化,研究了粉末在热等静压过程中的致密化行为。由于包套对热等静压压力的屏蔽效应,致密化过程后观察到了粉末/包套体的不均匀变形;通过有限元仿真也预测到包套对包套对热等静压压力的屏蔽效应引起的粉末/包套体的不均匀变形。对比了不同致密化成都的粉末合金的力学性能。采用粉末冶金近净成形技术制备了形状复杂的钛合金构件。研究发现,金属包套及内部金属型芯模具的设计非常重要,因为在零件的不同部位粉末/包套体在致密化进程中的收缩比例不尽相同。

Ti-2Al-2.5Zr合金N^+离子注入表面XPS和XRD分析

Ti 2Al 2 .5Zr合金中注入能量为 75keV的N+ 离子 ,注入剂量为 3× 10 17/cm2 和 8× 10 17/cm2 ,注入过程样品的温度低于 2 0 0℃。N+ 离子在Ti 2Al 2 .5Zr合金中的射程借助TRIM 96程序计算为 12 2 2 。注入后的样品用X射线衍射方法 (XRD)以及光电子能谱方法 (XPS)进行分析。XRD衍射谱表明有新相生成 ,经分析为TiN和TiO2 ,但这些新相的峰非常微弱 ,很难区分。XPS宽程扫描谱表明注入后样品表面主要为Ti,C ,N和O。XPS关于Ti2 p和N 1s窄程扫描谱表明N+ 离子注入后在合金表面确实形成了TiN和TiO2 。

新型钛合金 Ti-2Al-2.5Zr 研究现状

系统地介绍了新型钛合金 Ti-2Al-2.5Zr 近阶段的研究工作。总结了离子注入方法在钛合金表面改性方面的应用,提出了用氢离子注入钛合金模拟研究质子辐照损伤的方法。

Al-5Ti-1B加入速度对8079合金铸轧铝板坯组织及力学性能的影响

目的优化晶粒细化剂Al-5Ti-1B的加入速度,以改善8079铝合金铸轧板坯质量。方法用电解铝液配料直接铸轧生产8079铝合金铸轧板坯,采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子万能力学实验机等手段,研究了在晶粒细化剂Al-5Ti-1B加入速度(175、185、195、205 mm/min)不同时铝合金铸轧板坯显微组织和力学性能的变化规律,并对其影响机理进行了探讨。结果随着晶粒细化剂Al-5Ti-1B加入速度的增大,铸轧板坯晶粒尺寸先急剧减小后趋于平缓,其抗拉强度和断后伸长率先增大后减小。当加入速度为175 mm/min时,铸轧板坯晶粒尺寸约为110μm,其抗拉强度和断后伸长率分别为113.0 MPa和22%;当加入速度为185~195 mm/min时,铸轧板坯晶粒细小、分布均匀,尺寸为57~59μm,其抗拉强度不低于134.3MPa,断后伸长率不低于36.0%;当加入速度为205 mm/min时,铸轧板坯晶粒尺寸变化不大,尺寸约为56μm,但在基体组织中开始出现偏析聚集现象,力学性能急剧下降,抗拉强度仅为89.7 MPa,断后伸长率仅为16.7%。能谱检测结果表明,铸轧板坯夹杂缺陷主要由Ti、Al、O、Fe和Si等元素组成,夹杂缺陷的存在破坏了基体组织的连续性。结论当晶粒细化剂Al-5Ti-1B的加入速度为185~195 mm/min时,8079铝合金铸轧板坯具有更优的显微组织和力学性能。