粉末冶金Ti-Fe合金的显微组织及力学性能

粉末冶金Ti-Fe合金的显微组织及力学性能作者：智赢论文网日期：2016-9-610:27:27点击：0钛合金凭借其良好的生物相容性、高比强度、低弹性模量、耐腐蚀等优点，在生物医用材料领域获得重要应用，具有极为广阔的市场前景［1-2］。目前应用最为广泛的Ti-6Al-4V(TC4)及其改进合金作为植入性材料，其弹性模量仍然较人体骨难以匹配，会引起组织“应力屏蔽”［3］，此外长期植入人体Al和V离子的析出也会对人体造成危害［4-5］。针对这些问题，研究和开发无毒、生物相容性更好、弹性模量更低的钛合金材料，以适应临床对种植体材料的需求，成为了当今生物医学金属材料的主要研究内容。近年来，美国、日本等国针对不同的临床应用，积极开展大量新型β钛合金的研究工作，取得了丰硕的成果，部分已经获得了商业应用［6-10］。Majumdar等［11］制备了Ti-13Nb-13Zr合金，其弹性模量为74GPa，相比于Ti-6Al-7Nb等第二代医用钛合金，其弹性模量有明显降低，但Nb、Zr等元素熔点高、比重大，也较为昂贵，合金制件的密度较大、其制备成本也较高。在众多β-Ti稳定元素中，Fe元素安全无毒、最为廉价。Fe是Ti的β慢共析元素，在β-Ti中的溶解度大于在α-Ti中的溶解度，在一般冷却速度下能将β-Ti保存至室温，并对合金产生固溶强化的作用［12］。适量Fe的添加不仅可以降低弹性模量，还能够显著提高钛基体的强度和耐磨性能。Haghighi等［13］铸造法制备了Ti-(8－10)Fe-(0－10)Ta合金，Ti-10Fe-10Ta的弹性模量达到最低值为92GPa。Yang等［14］通过粉末冶金方法制备了Ti-3Fe-(0－3)Si，其弹性模量在87～106GPa之间，最大拉伸强度达到900MPa。目前关于生物医用Ti-Fe二元合金的报道甚少，Chen等［15］通过粉末冶金法制备了Ti-(3－7)Fe合金，研究表明Fe含量的升高有利于提升合金的强度和塑性，制备Ti-7Fe合金拉伸强度为916MPa，最大拉伸率达到13%。金秋等［16］制备了多孔Ti-15Fe合金，其压缩弹性模量为9.5GPa，硬度为227HV。现有的研究表明Fe作为一种β-Ti稳定元素对于新型生物医用β型钛合金的研究与开发具有重要价值，但目前关于Ti-Fe二元合金的显微组织和性能还缺乏系统研究。本文以元素粉末为原料，采用模压烧结工艺制备Ti-(2－20)Fe合金，探讨制备工艺及Fe元素添加量对合金组织及性能的影响规律。1实验材料和方法以纯度大于99.9%的-500目的钛粉和铁粉为原料，根据Fe含量不同配制成5种Ti-Fe合金混合粉末，其中Fe的质量分数分别为2%、5%、10%、15%和20%。将原料粉末均匀混合后，进行双向压制成坯，其压制压力为400MPa。随后将压坯放入管式炉内进行常压烧结处理，保护气氛为流动的高纯Ar气，升温速度为5℃/min，烧结温度为900～1400℃，保温120min后随炉冷却至室温，即可得到Ti-(2－20)Fe合金块体材料。利用阿基米德排水法测得各烧结体密度。采用理学(Ｒigaku)公司Dmax-ＲB型12KW旋转阳极X射线衍射仪(CuKα，λ=0.15406nm)对烧结体进行物相分析。采用英国S250MK2型配有Link-860能谱仪的扫描电子显微镜观测烧结体的显微组织形貌。3mm×5mm的压缩试样，表面采用SiC砂纸进行磨光处理。压缩试验在室温下INSTＲON万能材料实验机上进行，变形速率为0.002s－1。2实验结果与讨论2.1烧结体密度与硬度随Fe含量升高，样品的烧结温度明显降低，当Fe含量为2%时，烧结温度在超过1400℃以上样品开始出现熔化变形，而Ti-20Fe在1200℃的烧结样品即开始出现变形迹象。烧结温度及Fe含量对Ti-Fe合金相对密度的影响如图1所示。可以看出，随烧结温度逐渐升高，每个成分合金的密度均逐步升高并最终达到稳定状态。随着Fe含量升高，合金致密度达到稳定对应的最低烧结温度逐渐降低，分别为1300℃(2%Fe)、1250℃(5%Fe)、1200℃(10%Fe)、1150℃(15%Fe)、1100℃(20%Fe)。在以上烧结温度下，所获得合金的密度在4.49～4.82g·cm－3范围内逐渐提高，但各合金致密度相差不大，均在97.8%～98.5%范围内。图1不同烧结温度下Ti-xFe合金的相对密度Fig．1ＲelativedensityofTi-xFealloysamplesatdifferentsinteringtemperatures图2不同烧结温度下Ti-xFe合金的硬度Fig．2HardnessofTi-xFealloysamplesatdifferentsinteringtemperatures2.2烧结温度对合金显微组织的影响以中间成分Ti-10Fe为例，分析了烧结温度对合金组织的影响，不同温度下烧结体样品的X射线衍射图如图3所示。由图可以看出，在不同烧结温度下所获得的烧结体的物相组成没有明显区别，均β相图3不同烧结温度下Ti-10Fe合金的XＲD图谱Fig．3XＲDspectraoftheTi-10Fealloyatdifferentsinteringtemperatures和少量α相组成。随着烧结温度的升高，α相对应衍射峰有减弱趋势。图4为在900～1200℃内不同烧结温度下制备Ti-10Fe合金样品的显微组织。如图所示，在较低烧结温度900℃下，烧结体已不存在原始颗粒边界，但仍有大量孔洞。随着烧结温度的升高，烧结体致密度明显提高，当烧结温度达到1200℃时，孔洞尺寸及数量大幅度减小，孔隙大小均匀并具有圆滑边界，合金致密化程度较高。整体而言，制备合金的组织较为均匀，即便在较低的烧结温度下，合金也没有明显的成分偏析，这是由于Fe在β-Ti中具有高的扩散速率，其扩散系数远高于β-Ti的自扩散系数。在900～1000℃制备合金的晶粒较为细小，由白色β相基体及灰色块状α相组成。当合金在1000℃及以上温度烧结时，Ti-10Fe合金由粗大β相晶粒与在其边界和内部分布的α相组成。随烧结温度的升高，β晶粒逐渐长大，α片层组织尺寸增长，片层数量有所减少，如图4(b-d)所示。图4不同烧结温度下Ti-10Fe合金的显微组织Fig．4SEMimagesoftheTi-10Fealloyatdifferentsinteringtemperatures(a)900℃;(b)1000℃;(c)1100℃;(d)1200℃2.3Fe含量对合金显微组织的影响选择在最低烧结致密化温度下制备的Ti-Fe合金样品，比较其Fe含量对合金显微组织的影响规律。图5为不同Fe含量的Ti-Fe合金的X射线衍射图谱。由图可知，Ti-(2－10)Fe合金物相均由α和β两相组成，并且随Fe含量的增加，β相含量明显增加。当Fe含量为15%时，开始形成以β相为主含有少量α相的物相结构。当Fe含量为20%时，合金表现为单一β相。Fe是Ti的β相稳定元素，可阻碍α相析出并将β-Ti相保留至室温，因此随着Fe含量的增加，α相含量逐渐降低，β相含量逐渐升高，当Fe含量达到20%时，烧结体在冷却过程中基本不再进行β→α转变。图6为不同Fe含量的Ti-Fe二元合金的显微组织。由图可以看出，对于不同Fe含量，在烧结温度为1300℃(2%Fe)、1250℃(5%Fe)、1200℃(10%Fe)、1150℃(15%Fe)、1100℃(20%Fe)时，可以图5Ti-(2－20)Fe合金的XＲD图Fig．5XＲDpatternsoftheTi-(2－20)Fealloys得到高致密且组织均匀的Ti-Fe二元合金。当Fe含量低于15%时，烧结体的显微组织为由粗大白色β相与灰色片层α相组成的魏氏体片层组织。随着Fe含量的升高，合金对应的烧结温度降低，使得β晶粒尺寸趋于减小，同时提高Fe元素含量有利于稳定β相，而阻碍α相在冷却过程中从β相中析出，表现为α片层含量逐渐降低，片层变窄。当Fe含量达到20%时，烧结体由单一的β晶粒组成，这与XＲD分析结果相一致。2.4室温压缩性能图7表示Ti-(2－20)Fe合金的室温压缩性能。如图所示，模压烧结Ti-(2－20)Fe合金具有较优秀的室温压缩性能，其抗压强度在2500MPa左右，屈服强度在1200MPa左右。从图7(a)中可以看出，Ti-Fe合金的抗压强度和屈服度呈现相近的规律，即随着Fe含量的增加合金的强度逐步提高，在Fe含量15%时达到峰值，随后呈现下降趋势，与硬度的测试结果相一致。随着Fe含量的增加，合金的压缩率逐渐升高，当Fe含量达到15%后，合金的压缩率变化并不明显。Ti-(2－20)Fe合金的弹性模量整体变化不大，随着Fe含量的提高在62.7～85.5GPa范围内逐渐降低，并且Ti-15Fe、Ti-20Fe的弹性模量基本处于同时水平，在63GPa左右。对于具有相近组织类型的Ti-(2－20)Fe合金，Fe含量的提高所需致密化烧结温度降低，可使晶粒细化、β相体积含量增加、α相片层变窄，同时Fe的添加也可以起到弥散强化的作用，因此随着Fe含量的增加，合金的强度也逐渐增加。而Ti-15Fe相对于Ti-20Fe合金具有更高的强度，分析其原因主要是因为组织中由于存在少量细小的α相片层，对β相基体具有一定的析出强化作用，这也与Majumdar［11］的研究结果相一致。图7不同Fe含量的Ti-xFe合金的压缩性能Fig．7CompressionpropertiesoftheTi-xFealloysTi-(2－15)Fe合金的压缩率随着Fe含量的升高逐渐升高。这主要是因为随着Fe含量的增加，晶粒显著细化，同时β相体积分数显著增加，而β相(Bcc结构)相比于α相(Hcp结构)具有更多的滑移系，更容易发生塑性变形。弹性模量是生物医用硬组织替代材料的重要性能指标。弹性模量对晶粒尺寸不敏感，主要取决于原子间结合力的大小，与金属原子结构有关，多相合金的弹性模量主要由各相及其体积分数所决定。前期研究表明β-Ti的平均原子间距大于α-Ti，其弹性模量明显较低［17］。因而对于制备Ti-Fe合金，随Fe含量升高，β相体积分数的增加，合金弹性模量逐渐降低。当Fe含量超过15%以上时，合金基本全部由β相组成，弹性模量变化不大。模压烧结Ti-(5－20)Fe合金的弹性模量为62.7～75.5GPa，处在牙釉质的弹性模量范围内(46～130GPa)，明显低于传统牙科材料，如Ti-6Al-4V(113～121GPa)、TA2(102GPa)、316L(193GPa)等。相比而言，1150℃烧结制备Ti-15Fe合金的综合性能最佳，其密度为4.73g·cm－3，硬度为43.9HＲC，弹性模量为64.6GPa，抗压强度为2702MPa，压缩率为32.7%。与新型β钛合金Ti-13Nb-13Zr74GPa相比［11］，两者弹性模量相当，但Ti-Fe合金的强度明显较高而密度较低，因此粉末冶金制备Ti-Fe二元合金将在口腔医用等硬组织植入替代材料领域有较大的发展潜力。3结论1)以元素粉末为原料，采用模压烧结工艺可制备成分均匀、高致密度的Ti-(2－20)Fe合金。Fe元素加入明显降低合金的烧结温度，随Fe含量升高，合金烧结致密化温度在1100～1300℃范围内逐渐降低;2)制备Ti-(2－15)Fe合金为魏氏体片层组织，Fe含量升高，晶粒尺寸显著减小，β相体积含量增加，α片层逐渐细化。当Fe含量增至15%，开始形成以β相为主并含有少量α相的组织结构，当Fe含量达到20%时，合金则由单一的β相晶粒组成;3)粉末冶金Ti-(2－20)Fe二元合金表现出较优异的力学性能，并随Fe元素含量升高，合金的强度及塑性有提高趋势，而弹性模量趋于降低。相对而言，在1150℃制备的Ti-15Fe合金的综合性能最佳，其硬度及抗压强度最高分别为到43.9HＲC和2702MPa，压缩率为32.7%，弹性模量为64.6GPa。参考文献［1］WenCE，YamadaY，ShimojimaK．Proc