氢处理细晶钛合金及其在牙科上的应用

高强度、低弹性模量且不含有害元素的医用钛材的成分、组织结构优化及其表面改性成为当前生物医用植入材料领域的研究热点之一。超细晶/纳米晶结构钛和钛合金由于其优良的力学相容性和生物相容性,在硬组织修复材料领域具有广阔的应用前景。

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细化晶粒通常采用大变形法来获得，如等径弯角挤压、高压扭转、多轴锻造以及累积卷压焊等。除此之外，对钛合金还可以采用氢处理法。

氢处理是能够使钛合金晶粒尺寸达1μm以下的为数较少的方法之一。在此工艺中，氢主要有以下几方面的作用：

(1)氢对钛合金的软化作用，降低流动应力，利于进行塑性变形。

(2)从β相温度范围内快冷过程中，获得具有均匀的高密度位错的针状马氏体，有利于氢化物的形核。

(3)氢的加入降低了钛合金的相转变温度，使钛合金热加工的温度低至形成位错胞结构，利于沉淀相弥散分布。

(4)通过氢的溶解,形成高密度位错区域,为再结晶提供形核的场所。

(5)真空退火过程中发生BHyA+B+H2{,DyA+H2{,AHyA+H2{,AdyA+H2{等相变,氢化物发生分解，α相发生再结晶，最终形成细小、等轴的两相组织。

该技术以材料本身为出发点，通过改善材料微观组织结构的方法，显著降低了钛合金的超塑性变形温度，提高了变形速率，明显地提高了生产效率。而且该技术工艺简单，成本较低，它的成功应用将为钛合金超塑性成形技术成为一种经济、实用的加工技术创造有利条件，同时也将攻克制约钛合金扩大应用的瓶颈，大幅度地降低钛合金零件的制造成本，提高零件的使用性能，为钛合金的广泛应用提供坚实的基础。

利用这种方法可以使α+β型钛合金Ti-6Al-4V及富β的α+β型钛合金Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe获得晶粒尺寸小于0.5μm的等轴细晶组织，使合金具有优异的超塑性能。日本学者中東潤对这两种合金进行氢处理，研究其常温性能及超塑拉伸性能，并用超塑成形方法试制了牙科修补用金属支架。

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钛合金在氢气中加热至β相变点以上并保温一段时间后，水冷得到马氏体组织，然后在α+β两相区进行热加工，获得细针状马氏体组织。显微组织观察结果表明，Ti-6Al-4V合金的α晶粒尺寸为0.3～0.5μm，Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe合金的α晶粒尺寸为0.1～0.3μm，而且大多数晶界为大角度晶界。室温拉伸试验表明，细晶Ti-6Al-4V合金比未经氢处理、经相同热加工得到的粗晶Ti-6Al-4V合金的屈服强度高(1300MPa对800MPa)，Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe合金也具有这种强度提高的趋势。

不同温度下的超塑性变形试验表明，细晶Ti-6Al-4V合金在1073K下的延伸率达到6620%，而粗晶Ti-6Al-4V合金在1173K下的仅为2000%。细晶Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe合金在923K下的延伸率达极大值10600%。拉伸试验的应力-应变曲线表明，粗晶Ti-6Al-4V合金在923K下的变形应力为276MPa，而细晶Ti-6Al-4V合金在873K下的变形应力为113MPa，是细晶合金的一倍多。Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe合金也具有相同的趋势。

用这种氢处理法制备了超塑性加工用Ti-6Al-4V合金薄(Φ40mm×0.70mm)。进行了牙科用金属支架的超塑成形试验，试验温度为1123K，加工压力分别为1.0、1.5、2.0MPa。结果表明，加工压力为1.5MPa时的应变速度最合适。压力为1.0MPa时，顶部的形状不明显；压力为2.0MPa时，发生部分断裂，无法加工；而当加工压力为1.5MPa时可按模具的形状加工出牙科用金属构架。