Page 43 - 理化检验-物理分册2023年第七期
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朱 昊, 等: Ti3Zr2Sn3Mo25Nb钛合金表面细晶的表征方法


            力学性能和生物医学相容性               [ 4-6 ] 。在生产过程中,       1.2 试验方法
            钛合金零部件表面或近表层易产生清晰晶、 应变                                 对 Ti3Zr2Sn3Mo25Nb钛合金进行超声冲击,

            线、 偏析、 过热、 过烧等缺陷           [ 7 ] , 不 利 于 其 长 期 服   超声冲击的工艺参数为: 振幅30 μ m , 累计冲击10                5
            役。超声冲击使其表面晶粒细化, 获得利于吸附                             次。采用扫描电镜对超声冲击后钛合金的截面进行
            的规则表面, 再覆以 TiN 膜, 可以促进细胞早期黏                        观察。采用透射电子显微镜对超声冲击后钛合金的
            附  [ 8 ] 。调节超声冲击工艺参数可使材料具有良好                       表面进行观察。采用 X 射线衍射仪对超声冲击后
            的表面形貌和表层结构             [ 9 ] , 该技术具备较好的临           钛合金表面的晶体结构进行分析。采用电子背散射
            床应用 前 景。采 用 扫 描 电 镜 ( SEM )、 透 射 电 镜               衍射仪对超声冲击前后钛合金表面细晶的滑移取向
            ( TEM )、 电子背散射衍射仪( EBSD )、 X 射线衍射                  和晶格尺寸进行分析。

            仪( XRD ) 等设备对超声冲击后 Ti3Zr2Sn3Mo25Nb                2 试验结果
            钛合金的表面细晶进行表征, 研究了表面细晶的
            滑移取向和晶粒尺寸, 阐述了强塑性变形层和细                            2.1 扫描电镜分析
            晶的形成机理, 结果可为提高钛合金在种植体中                                 在超声冲击后钛合金的截面取样, 对试样进行
                                                              SEM 分析, 结果如图 2 所示。由图 2 可知: 试样基
            的应用奠定理论基础。
                                                               体可见等轴 相, 晶粒的平均直径约为20 μ m ; 经超

                                                                         β
            1 试验材料及方法                                          声冲击后, 钛合金表面可见明显流线, 近表面                  β 晶粒
            1.1 试验材料                                           变扁、 拉长, 表面晶粒碎化后不易辨认, 钛合金表面

                 试验选用的 Ti3Zr2Sn3Mo25Nb钛合金的化学                   获得了深度约为 35 μ m 的强塑性变形层。影响强
            成分分析结果如表1所示。固溶时效热处理的流程                             塑性变形层厚度的主要因素为超声冲击时的应力场
                                                               深度, 其主要与施加的静载荷有关              [ 10 ] 。
            为: 750℃加热30min , 510℃加热4h 。热处理后,

            钛合金的屈服强度、 抗拉强度分别为 568 MPa 和
            721 MPa , 断 后 伸 长 率 为 19.5% , 断 面 收 缩 率 为

            71% , 塑性较好。
                 表1 Ti3Zr2Sn3Mo25Nb钛合金的化学成分分析结果          %
                                   质量分数
              项目
                    Mo Nb Zr    Sn  C    N    O    H   Ti
             实测值 3.1 24.8 3.07 2.09 0.015 0.007 0.16 0.003 余量

              高温下, -Ti 相具有稳定的体心立方结构, 相
                       β
                                                      β
            中含有稳定元素, 可以使其在常温状态下保持稳定。
            钛合金中的结晶接近理想密排六方结构。理想密排
            六方结构和体心立方结构的晶胞及尺寸如图 1 所

            示, 晶格常数为0.25~0.50nm 。








                                                                       图2 超声冲击后钛合金截面的SEM 形貌
                                                                   金属自纳米化生成表面细晶和超细晶的主要
                                                               原因有位错滑移、 机械孪晶等。合金材料的位错
                                                               运动与晶体结构和层错能有关, 因体心立方晶格
                                                               滑移系较多, 塑性变形以位错滑移为主; 密排六方
               图1 理想密排六方结构和体心立方结构的晶胞及尺寸示意
                                                               结构的层错能较低, 塑性变形主要以机械孪晶为
                                                                                                         2 7
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