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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：2016-9-6 10:27:27 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74 GPa，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92 GPa。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?～ 106 GPa?之间，最大拉伸强度达到900 MPa。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916 MPa，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. 5 GPa，硬度为227 HV。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400 MPa。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120 min?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(?Cu Kα，λ?= 0. 15406 nm)?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。采用电火花线切割机将各烧结制备的合金坯块分别切成尺寸为3 mm?× 5 mm?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. 002 s?－ 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. 82 g·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