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(图片来源:参考文献[1])为何人体不排斥钛合金?
钛合金因其的综合性能,已全面应用于现代医疗领域,涵盖牙科修复体、心血管支架、骨科植入器械等关键场景。那么,为何人类的身体不排斥钛合金?这就要从一个融合了骨组织与免疫调控的新兴交叉学科——说起。
1981年,瑞典学者Albrektsson首次用电子显微镜实了钛与骨组织之间的“直接接触”,这被视为种植成功的标志。这种种植体植入牙槽骨后与新骨直接接触的现象被称为“(osseointegration)”,但当时人们并不了解这一过程的生物学机制。
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5℃,导热系数λ=15.24W/(m.K),抗拉强度σb=539MPa,伸长率δ=25%,断面收缩率ψ=25%,弹性模量E=1.078×105MPa,硬度HB195。钛合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右,仅为钢的60%,纯钛的强度才接近普通钢的强度,一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。
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7)电电位与碳纤维复合材料相匹配。在紧固件上,钛合金用量十分巨大的重要原因就是钛合金电电位与碳纤维复合材料电电位相匹配,有效阻止了电偶腐蚀现象的出现。8)此外,钛合金还具有的耐蚀性、较高的蠕变抗力等优点。
1、 紧固件用钛合金材料及性能概况
紧固件用钛合金材料与紧固件的制造工艺和用途密切相关。一方面,钛合金紧固件的制造工艺主要包括3部分:首先,塑性变形,例如顶镦、减径和滚螺纹等;其次,表面强化,例如螺栓承力面与直杆过渡区的强化等;,机械加工,例如车、铣和磨等。另一方面,紧固件的用途不同,所需材料的性能要求也不同,这就需要使用不同的钛合金材料。以铆钉和螺栓为例,铆钉在安装过程中需要一端或者两端镦头,所以铆接过程对材料的塑性要求较高。螺栓一般要求具有较高的强度,其强度水平 与30CrMnSiA高强度合金钢接近,所以通常采用高强钛合金材料。综合以上两方面的因素,紧固件用钛合金材料也主要分为工业纯钛、(α+β)型和β型钛合金三类,具体见表2。由表2可知,工业纯钛主要是 TA1和 TA2。(α+β)型钛合金主要包括 TC4,TC6和 Ti-662等。β型钛合金以亚稳定β型钛合金为主,这是因为亚稳定β型钛合金钼当量一般在10%左右。钼当量小于10%的近β型钛合金热处理强化效果不足;钼当量大于10%的稳定β型钛合金在时效热处理过程中,β相稳定性会较高,分解,所以亚稳定β型钛合金材料的强化。此外,亚稳定β型钛合金具有的冷成形性,可以进行冷镦,避免采用的加热设备和气体保护介质,生产效率和材料利用率高,成形后的紧固件尺寸精度高、表面质量好。而(α+β)型钛合金紧固件只能采用热镦成形,需要专门的加热设备和气体介质,生产效率和材料利用率低,也容易出现加热温度不均匀的现象。
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钛合金优良的特性表现在:密度小(4.51g/cm3,钢的 57%)、强度高(抗拉强度680-1180Mpa)、硬度高(30-40HRC)、工作温度范围宽(高热600℃、低温-253℃)、耐蚀性好、无磁、热导率小、抗阻尼性能低等。
近年来,钛合金在航空航天、海洋工程、船舶、汽车、化工、电子、医疗、电力等行业的需求日益增多,广泛的市场需求正逐步加速钛合金锻造工艺与技术的发展。
本文主要为大家讲解一下钛合金热处理种类和热处理规范,有不当之处,欢迎指正。
01、钛合金热处理种类
钛合金常用的热处理方法为退火、固溶和时效处理。退火适用于各类钛合金,主要是为了获得最佳的力学性能,消除应力、提高塑性和稳定组织。固溶和时效处理是钛合金强化的主要手段。
去应力退火
退火温度比再结晶温度低100-250℃;
目的是为消除或减少加工过程中出现的内应力,防止和减少变形。
完全退火
又称:再结晶退火
退火温度接近再结晶温度和β转变点之间,退火过程主要发生再结晶,温度高于该合金的再结晶温度。
目的是降低硬度、提高塑性、稳定组织、改善加工性能。
双重退火
包括高温和低温两次退火,退火后空冷;高温为β转变点以下20-160℃,低温为相变点以下300-500℃。
目的是提高组织和性能的稳定性。
等温退火
双重退火的特殊形式
先加热到β转变点以下20-160℃,保温后,转移到低温炉(600-650℃)保温,然后出炉空冷到室温。
适用于β稳定元素含量较高的钛合金,采用缓慢冷却,使β相充分分解。
目的是得到稳定组织。
固溶处理
α+β两相区转变温度以上,β转变点以下28-83℃以下加热,特殊情况也可在β转变点以上加热,随后淬火。
目的是获得高比例时效强化的亚稳态β相。
时效处理
一般在425-650℃之间加热,时效温度和时效时间可以根据时效硬化曲线确定;
目的是促进亚稳态β相的分解或析出,从而提高合金强度。