TC4鈦合金是目前應(yīng)用最廣的一種 α+β 型鈦合金[1?2]，其用量占鈦合金總消耗量的 50% 以上，它含質(zhì)量分?jǐn)?shù) 6% 的 α 穩(wěn)定元素 Al 及 4% 的 β 穩(wěn)定元素V，具有優(yōu)異的綜合性能，主要有：（1）密度低，使醫(yī)用件輕巧，舒適感好；（2）高的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，可滿足骨頭、關(guān)節(jié)、手術(shù)器械和康復(fù)器械的強(qiáng)度要求；（3）耐蝕（化學(xué)穩(wěn)定性好），抗體液腐蝕，適于身體各部件使用；（4）生物相容性好，無毒性（無致炎、致癌作用），其腐蝕產(chǎn)物也無毒，不向體外擴(kuò)散，而是集中在植入物附近；（5）力學(xué)相容性好，鈦合金的彈性模量可降至 50~100 GPa，減少應(yīng)力屏蔽，與人體骨頭匹配性好；（6）低 X 射線吸收率，醫(yī)檢時(shí) X 射線可視性好；（7）形狀記憶功能，可用做脊柱矯形棒、骨釘、內(nèi)固定器、聚髖器、內(nèi)支架等；（8）有良好加工成形性，適于制成板、棒、絲、管、毛細(xì)管、異形件等醫(yī)用制品。因而廣泛應(yīng)用在制藥工業(yè)、醫(yī)療器械、人體植入物等領(lǐng)域[3]。
美國、英國和俄羅斯首先將 Ti?6AL?4V 合金用于人體。Ti?6AL?4V 和 Ti?6AL?4VELI 是迄今為止一直廣泛應(yīng)用于植入物材料的重要合金。隨著鈦合金在醫(yī)用領(lǐng)域的發(fā)展，為滿足 U 型椎弓根螺釘（實(shí)物照片見圖 1）高塑性，高扭轉(zhuǎn)角的需求，研制?7.5 mm 小規(guī)格棒材，棒材力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度Rm≥930 MPa、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度 Rp0.2≥860 MPa、斷后伸長率 A≥16%、斷面收縮率 Z≥30%，高倍組織達(dá)到標(biāo)準(zhǔn) GB/T 13810—2017 的要求，進(jìn)行不同拉拔工藝及熱處理工藝研究。
鈦合金的組織形態(tài)及晶粒尺寸是決定其性能的主要因素。晶粒越細(xì)小，其比表面積越大，為晶界滑移提供了大量晶界，與此伴生的應(yīng)力集中也增多，集中在晶界及其附近，從而導(dǎo)致晶內(nèi)位錯(cuò)滑移也集中在晶界及其附近，起到了協(xié)調(diào)晶界滑移的作用；同時(shí)，晶粒越細(xì)小，等軸性越好，產(chǎn)生的空洞尺寸也越小、晶粒的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)也越易進(jìn)行，從而使得金屬拉伸時(shí)獲得更好的塑性。為此人們通過嘗試對材料施加大塑性變形的方法來獲得細(xì)小的晶粒組織。鈦合金的組織形態(tài)取決于不同的熱處理工藝，對同一種鈦合金由于熱處理的不同，最后可能形成多種組織形態(tài)。本文通過控制不同的拉拔比、道次變形量及熱處理制度來控制晶粒大小及組織形態(tài)，從而獲得不同的組織性能[4]。
一、實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)工藝
1、實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)采用 ?600 mm 錠型，鑄錠質(zhì)量 3000 kg。鑄錠經(jīng) 3 次真空自耗電弧爐熔煉，化學(xué)成份：w(Al)=5.8%~6.2%， w(V)=4.0%~4.2%， w(Fe)=0.1%~0.2%，w(C)<0.02%，w(N)<0.01%，w(O)=0.10%~0.15%，余量為鈦，α+β/β 相的轉(zhuǎn)變溫度為 960~990 °C。
實(shí)驗(yàn)采用 ?9.5 mm 棒坯，棒坯原始高倍照片見圖 2。棒坯制作工藝采用相變點(diǎn)以上 60~190 °C 開坯，采用寬砧拔長變形，變形量為 50%~70%，相變點(diǎn) 以 下 30~50 °C 采 用 二 火 軋 制 變 形 ， 變 形 量 為70%~90%。
2、實(shí)驗(yàn)方案
實(shí)驗(yàn)對 ?9.5 mm 棒坯拉拔，拉拔完成后進(jìn)行熱處理獲得 TC4鈦合金 ?7.5 mm 小規(guī)格棒材。實(shí)驗(yàn)按4 種拉拔工藝[5]，5 種溫度熱處理制度進(jìn)行，4 種拉拔工藝分別為二模拉拔（拉拔速度為 1.2~2.0 m/min，一、二模拉拔比分別為 1.45 和 1.21）、三模拉拔（拉拔速度為 1.5~2.4 m/min，一、二、三模拉拔比分別為 1.14、1.21 和 1.13）、四模拉拔（拉拔速度為 1.8~2.8 m/min， 一 、 二 、 三 模 拉 拔 比 分 別 為1.11、1.12、1.07 和 1.08）、五模拉拔（拉拔速度為2.2~3.2 m/min，一、二、三、四、五模拉拔比分別為 1.09、1.09、1.07、1.08 和 1.05），熱處理制度的5 種溫度分別是 550、600、650、700 和 750 °C。具體工藝實(shí)驗(yàn)方案見表 1[6]。
以上 20 種方案完成后對棒材進(jìn)行顯微組織觀察和力學(xué)性能測試，得到 TC4 合金 ?7.5 mm 小規(guī)格棒材高倍組織相圖和力學(xué)性能測試結(jié)果：抗拉強(qiáng)度Rm、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度 Rp0.2、斷后伸長率 A、斷面收縮率 Z[7]。
二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
1、對組織的影響
在 OLYMPUS GX71 金相顯微鏡下觀察[8]，各實(shí)驗(yàn)條件下 TC4 合金 ?7.5 mm 小規(guī)格棒材的顯微組織形貌，如表 2 所示。
從表 2 可以看出，各方案顯微組織差異不大，均為球狀 α+β 轉(zhuǎn)組織，均符合標(biāo)準(zhǔn) GB/T 16598—2017 圖 A1 級。組織細(xì)小均勻，為均勻的兩相區(qū)加工組織，這是由于各方案兩相區(qū)變形量較充分，變形均勻[9]。
2、對力學(xué)性能的影響
經(jīng)過 4 種拉拔工藝和 5 種溫度熱處理后及未進(jìn)行熱處理（R 態(tài)）的棒材各取一套縱向拉伸試樣，分別在 INSTRON5885 拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上測試，其力學(xué)性能如表 3 所示[10]。
根據(jù)考核值：抗拉強(qiáng)度 Rm≥930 MPa、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度 Rp0.2≥860 MPa、斷后伸長率 A≥16%、斷面收縮率 Z≥30%。從表 2 可以看出，二模拉拔和三模拉拔只有在 700 和 750 °C 熱處理后達(dá)到要求，四模拉拔和五模拉拔只有在 750 °C 熱處理后達(dá)到要求。三模拉拔、四模拉拔和五模拉拔在 750 °C 熱處理后抗拉強(qiáng)度值相當(dāng)，分別為 973、989 和 980 MPa，二模拉拔在 750 °C 熱處理后強(qiáng)度值 1002 MPa 高于前三種拉拔工藝。4 種拉拔工藝在 750 °C 熱處理后規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度分別為 887、876、873 和 871 MPa，可以看出二模拉拔、三模拉拔明顯高于四模拉拔、五模拉拔；原因：棒材拉伸過程中受的是兩向壓應(yīng)力，一向拉應(yīng)力，大拉拔比更有利于晶粒破碎，在相同熱處理溫度下，二模拉拔、三模拉拔伸長率高于四模拉拔、五模拉拔 2%~4%，端面收縮率高出10%~17%[11]。
同時(shí)從表 2 可以看出，隨著熱處理溫度提高，強(qiáng)度下降，塑性提高。當(dāng)熱處理溫度低于 700 °C時(shí)，金屬殘余應(yīng)力不完全清除，影響金屬的塑性指標(biāo)，而在 700~750 °C 熱處理時(shí)，棒材軟化明顯，拉拔過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得到充分回復(fù)，此時(shí)，棒材的強(qiáng)度值和塑性值配比最佳[12]。
三、結(jié)束語
（1）采用大拉拔比更有利于晶粒破碎，在相同熱處理制度下，二模拉拔、三模拉拔斷后伸長率高于四模拉拔、五模拉拔 2%~4%，端面收縮率高出10%~17%。
（2）采用二模拉拔、三模拉拔生產(chǎn)的 ?7.5 mm棒材金相組織都滿足 GB/T 13810—2017 標(biāo)準(zhǔn)要求。
（3）TC4 的 ?7.5 mm 棒材，在 700~750 °C 熱處理時(shí)，棒材軟化明顯，內(nèi)部殘余應(yīng)力得到充分消除。此時(shí)，棒材的強(qiáng)度值和塑性值配比最佳。
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作者簡介：董潔（1977—），女，陜西省寶雞市人，正高級工程師。2000 年本科畢業(yè)于昆明理工大學(xué)材料系壓力加工專業(yè)，2012 年碩士畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)材料系材料工程專業(yè)；主要研究方向：鈦及鈦合金的加工工藝及應(yīng)用研究。獲省部級科技成果二等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2 項(xiàng)，在知名期刊發(fā)表論文 8 篇。主筆編制國家級項(xiàng)目論證報(bào)告 6 篇，省部級項(xiàng)目論證報(bào)告 10 篇，起草國軍標(biāo)2 項(xiàng)和國標(biāo) 1 項(xiàng)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 2 項(xiàng)，職業(yè)鑒定標(biāo)準(zhǔn) 2 項(xiàng)。通信 地 址 ： 寶 雞 拓 普 達(dá) 鈦 業(yè) 有 限 公 司 。 E-mail：dongjiecool@163.com。
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