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搅拌摩擦加工对生物医用钛合金显微组织与摩擦磨损性能的影响

瞿皎  
【摘要】:Ti-35Nb-3Zr-2Ta(wt%)β钛合金弹性模量低、生物形容性好、不含生物毒性元素被广泛应用于生物医学领域。但是,与其他生物植入材料,如Ti-6Al-4V等相比,其强度及耐磨性还有待提高。因此需要进一步探寻有效方法来改善其表面性能。搅拌摩擦加工技术作为一种剧烈塑性变形技术,可以有效细化晶粒,从而获得高性能的材料表面。本文选用Ti-35Nb-3Zr-2Ta(wt%)β医用钛合金作为实验材料,纯钛作为对比材料,采用搅拌摩擦加工技术对其进行表面改性。系统研究了不同加工参数(旋转速度和加工道次)对Ti-35Nb-3Zr-2Ta(wt%)β医用钛合金及纯钛微观组织及摩擦磨损性能的影响。结果表明:搅拌摩擦加工后,晶粒显著细化,且当加工参数为375r/min,三道次时,可获得纳米晶组织。此外,所有参数下加工的样品表面都出现了应力诱发α″马氏体相,且其数量随着加工道次的提高而增大,在低道次加工时,观察到有无热ω相析出。在较低变形量下,Ti-35Nb-3Zr-2Ta合金的变形机制以位错、滑移及应力诱发马氏体为主;当变形量增大时,则以形变孪晶为主,变形量继续增大,母相则逐渐稳定并细化至纳米晶,此时发生ω相至β相的逆转变以及去孪晶化。显微硬度测试分布知,搅拌区显微硬度显著高于母材。且当Ti-35Nb-3Zr-2Ta(wt%)合金FSP加工参数为375r/min,三道次时,获得搅拌区最高硬度246.7Hv,相较母材提高了30.3%。Ti-35Nb-3Zr-2Ta合金磨损率及平均摩擦系数随着加工道次的提升而显著降低。磨损机制在较低变形量下以黏着磨损为主,磨损表面呈现剥层撕裂,在较高变形量下磨损机制以磨粒磨损为主,磨损表面呈现犁沟槽。


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