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生物医用超细晶钛及钛合金的研究进展

中国材料进展 2022年第4期41卷 314-320页

作者：罗雷段西明杨西荣刘晓燕西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055 西安建筑科技大学冶金技术国家级实验教学示范中心陕西西安710055

随着生物医用金属材料的市场应用快速增加,生物医用钛及钛合金已成为人体植入物的主要原料,然而相比于不锈钢及钴基合金,常规钛及钛合金虽在生物医用领域各方面性能都较为优异,但作为植入物处于人体较为复杂的环境中时,其各方面性能还... 详细信息

随着生物医用金属材料的市场应用快速增加,生物医用钛及钛合金已成为人体植入物的主要原料,然而相比于不锈钢及钴基合金,常规钛及钛合金虽在生物医用领域各方面性能都较为优异,但作为植入物处于人体较为复杂的环境中时,其各方面性能还有待提高。因此,超细晶钛及钛合金的研发在医用市场具有广阔的前景。目前,市场上超细晶金属材料的制备以剧烈塑性变形工艺为主,其中等通道转角挤压变形的制备方式较为成熟。对生物医用超细晶钛和钛合金的类型及特点作了简单的介绍,着重从等通道转角挤压变形方式制备的超细晶钛及钛合金在生物医学上的耐蚀性、生物相容性、力学性能及疲劳性能等方面进行了简述,对其在医疗市场的未来发展趋势作出了展望,并总结了其未来发展待解决的问题。

关键词：生物医用材料超细晶钛及钛合金等通道转角挤压晶粒细化性能

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超细晶纯钛疲劳裂纹扩展及裂纹尖端组织演变

稀有金属 2022年第7期46卷 882-888页

作者：刘晓燕柳奎君杨西荣王敬忠罗雷西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055 四川中核艾瑞特工程检测有限公司四川绵阳621000

采用疲劳裂纹扩展实验研究剧烈塑性变形制备的4种超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展行为,通过观察不同组织超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展路径,并对裂纹尖端塑性区进行显微硬度分布实验和显微组织观察,分析不同组织超细晶纯钛疲劳裂纹扩展的微观机制... 详细信息

采用疲劳裂纹扩展实验研究剧烈塑性变形制备的4种超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展行为,通过观察不同组织超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展路径,并对裂纹尖端塑性区进行显微硬度分布实验和显微组织观察,分析不同组织超细晶纯钛疲劳裂纹扩展的微观机制。结果表明,等径弯曲通道变形(equal channel angular pressing,ECAP)纯钛和旋锻后400℃退火纯钛的疲劳裂纹扩展路径曲折,而ECAP+旋锻变形纯钛和旋锻后300℃退火纯钛的疲劳裂纹扩展路径平直。循环载荷作用下,超细晶纯钛裂纹尖端区域的显微硬度和微观组织变化显著。其中ECAP+旋锻变形纯钛的组织位错密度和显微硬度降低,而ECAP变形和旋锻后退火纯钛的组织位错密度和显微硬度均升高。超细晶纯钛疲劳裂纹扩展过程中组织结构对位错运动的阻碍导致裂纹扩展方向改变,且裂纹尖端区域位错密度为显微硬度变化的主要影响因素。

关键词：超细晶纯钛微观组织疲劳裂纹扩展裂纹尖端塑性区显微硬度

室温多道次ECAP变形对7075铝合金组织性能及沉淀相分布的影响

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Journal of Central South University 2023年第2期30卷 374-386页

作者：罗雷杨博海杨西荣刘晓燕王敬忠 School of Metallurgical Engineering Xi’an University of Architecture and TechnologyXi’an 710055China National Experimental Teaching Demonstration Center of Metallurgical Technology Xi’an 710055China Shaanxi Key Laboratory of Nanomaterials and Technology Xi’an 710055China

本文采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和高分辨透射显微镜(HRTEM)研究了等径角挤压(ECAP)变形对7075铝合金显微组织、力学性能、沉淀相分布及析出行为的影响。经四道次ECAP变形后原始晶粒尺寸由26μm细化至4.5μm,组织分布更加均匀... 详细信息

本文采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和高分辨透射显微镜(HRTEM)研究了等径角挤压(ECAP)变形对7075铝合金显微组织、力学性能、沉淀相分布及析出行为的影响。经四道次ECAP变形后原始晶粒尺寸由26μm细化至4.5μm,组织分布更加均匀,大角度晶界(HAGB)占比由8.1%提高到48.1%。经过ECAP变形后,变形晶粒逐渐转变为亚结构组织和再结晶组织,位错密度在动态再结晶(DRX)作用下逐渐降低,原始7075铝合金轧制态β-fiber织构转变为C型剪切织构,大块不规则沉淀相粒子逐渐破碎细化,弥散分布在基体中,通过HRTEM晶格条纹、XRD及SAED标定可知7075铝合金基体中主要沉淀相种类为Al_(2)Cu、Al_(2)CuMg和MgZn_(2)相。经过四道次ECAP变形后,7075铝合金显微硬度及强度有着明显提高,其中屈服强度(YS)提高了166.1%。在ECAP过程诸多强化机制中,位错强化对于屈服强度的提升占比最高,细晶强化次之,第二相强化占比最小,三种强化机制对于ECAP过程中7075铝合金基体屈服强度贡献比例为2.33:1.67:1。

关键词： 7075铝合金等径角挤压沉淀相力学性能动态再结晶

超细晶工业纯钛在3.5%NaCl溶液中的高周疲劳

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稀有金属 2022年第3期46卷 402-408页

作者：雷漫江杨西荣刘晓燕杨雨欣马炜杰西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055

采用Instron-8801型电液伺服疲劳实验机对复合细化工艺制备的超细晶工业纯钛进行高周腐蚀疲劳实验,实验条件为水浴恒温(17.9±0.5)℃,3.5%NaCl(pH=8.1±0.2),加载频率(f)=25 Hz、应力比(R)=-1。利用得到的实验数据拟合实验加载应力幅(σ... 详细信息

采用Instron-8801型电液伺服疲劳实验机对复合细化工艺制备的超细晶工业纯钛进行高周腐蚀疲劳实验,实验条件为水浴恒温(17.9±0.5)℃,3.5%NaCl(pH=8.1±0.2),加载频率(f)=25 Hz、应力比(R)=-1。利用得到的实验数据拟合实验加载应力幅(σ_(a))与疲劳断裂循环周次(Nf)间的关系,绘制应力-寿命曲线(S-N曲线)。研究材料的腐蚀疲劳性能,并对腐蚀疲劳宏观断口形貌进行观察分析。结果表明:在3.5%NaCl溶液中,超细晶工业纯钛的腐蚀疲劳极限值(σ_(-1))为403.1 MPa(44.35%)。与常规疲劳相似,随着加载应力的增加,材料的疲劳断裂循环周次急剧减小,并与常规超细晶工业纯钛和粗晶工业纯钛相比较,发现细晶强化极大地提高了材料的疲劳极限。腐蚀疲劳裂纹源萌生于材料表面,可以直观地观察到材料腐蚀疲劳裂纹的萌生、扩展、断裂典型区域的特征。断口表面较为平整光滑,观察发现有大量的疲劳辉纹和少量的二次裂纹。材料具有较强的疲劳裂纹扩展抵抗能力,耐腐蚀疲劳性能优良。

关键词：超细晶工业纯钛(UFG CP-Ti) 高周疲劳应力-寿命曲线(S-N曲线) 腐蚀疲劳极限

ECAP对SLM纯钛组织演变和力学性能影响

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稀有金属材料与工程 2022年第6期51卷 1964-1971页

作者：罗雷段西明杨西荣刘晓燕王文韩鹏西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055 冶金技术国家级实验教学示范中心陕西西安710055 功能材料加工国家地方联合工程研究中心陕西西安710055

等通道转角挤压(equal channel angular pressing,ECAP)成功对选择激光熔化(selective laser melting,SLM)制备的纯钛进行了改性处理。采用两通道夹角Φ=120°,ψ=20°的模具,在室温下对SLM制备的纯钛进行单道次变形改性处理,并对其显... 详细信息

等通道转角挤压(equal channel angular pressing,ECAP)成功对选择激光熔化(selective laser melting,SLM)制备的纯钛进行了改性处理。采用两通道夹角Φ=120°,ψ=20°的模具,在室温下对SLM制备的纯钛进行单道次变形改性处理,并对其显微组织和力学性能进行了评价。结果表明:SLM+ECAP纯钛试样组织细化,晶粒尺寸由13μm减小到7μm,位错密度增加。ECAP变形过程中,孪生和连续动态再结晶同时存在,拉伸与压缩孪晶的出现和位错密度的增加共同促使SLM+ECAP纯钛试样显微硬度增加了13%,屈服强度和极限抗拉强度分别提高了18%和20.4%,而延伸率略有减小。

关键词：等通道转角挤压选择性激光熔化显微组织力学性能

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应力状态对纯钛织构演化机制影响研究

稀有金属材料与工程 2023年第12期52卷 4268-4275页

作者：李恒张鹏飞冯靖凯张蔚然张凌峰杨西荣西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055 西安稀有金属材料研究院有限公司陕西西安710016

采用拉伸、压缩的试验方法,结合Schmid因子计算和晶体塑性模拟计算研究了TA2纯钛在不同应力(拉应力、压应力)状态下织构的演化机制。结果表明:在拉伸变形过程中,较大的应变量也难以使织构发生显著变化,相对而言,压缩变形过程中织构变化... 详细信息

采用拉伸、压缩的试验方法,结合Schmid因子计算和晶体塑性模拟计算研究了TA2纯钛在不同应力(拉应力、压应力)状态下织构的演化机制。结果表明:在拉伸变形过程中,较大的应变量也难以使织构发生显著变化,相对而言,压缩变形过程中织构变化较为显著。在不同应变路径下,变形初期启动的变形方式有一定的差异。在不同应变量下,随着变形程度的增加,发生基面滑移或锥面滑移或{1012}拉伸孪生的晶粒数变多是导致形成不同织构的主要原因。

关键词：应力状态纯钛织构变形方式

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超细晶材料动态力学性能及绝热剪切行为

塑性工程学报 2022年第6期29卷 1-8页

作者：李帅康刘晓燕杨西荣张习祎西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055

与粗晶材料相比,超细晶材料具有高强度、高强韧性和超塑性等特点,受到了众多领域的关注。在工业应用和国防军事领域,普遍存在动态加载状态下的高应变速率变形问题。因此,研究超细晶材料在高应变速率加载下的动态力学响应和失效机理对材... 详细信息

与粗晶材料相比,超细晶材料具有高强度、高强韧性和超塑性等特点,受到了众多领域的关注。在工业应用和国防军事领域,普遍存在动态加载状态下的高应变速率变形问题。因此,研究超细晶材料在高应变速率加载下的动态力学响应和失效机理对材料应用和结构设计具有重要意义。采用分离式霍普金森压杆技术研究动态载荷下超细晶材料的力学行为已成为一个重要的方向。综述了动态载荷下超细晶材料的力学性能和绝热剪切行为的相关研究进展,重点对超细晶材料的动态力学行为、绝热剪切带的形成机理与发展演变以及动态力学行为的本构方程进行了归纳总结,对超细晶材料动态力学行为研究过程中存在的问题和今后的研究方向进行了分析和展望,以期为超细晶材料在动态载荷下的应用提供参考。

关键词：超细晶动态载荷分离式霍普金森压杆绝热剪切带本构方程

纯钛室温ECAP和旋锻复合变形过程中的织构演变

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塑性工程学报 2022年第3期29卷 117-123页

作者：高飞龙刘晓燕杨西荣罗雷张琪西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055

采用等径弯曲通道挤压(ECAP)和旋锻(RS)复合工艺在室温下对纯钛进行大塑性变形,利用X射线衍射技术分析了纯钛室温ECAP和ECAP+RS复合变形过程中的织构演变规律。结果表明,随着室温ECAP变形道次的增加,原始基面织构逐渐向锥面织构和柱面... 详细信息

采用等径弯曲通道挤压(ECAP)和旋锻(RS)复合工艺在室温下对纯钛进行大塑性变形,利用X射线衍射技术分析了纯钛室温ECAP和ECAP+RS复合变形过程中的织构演变规律。结果表明,随着室温ECAP变形道次的增加,原始基面织构逐渐向锥面织构和柱面织构转变,且织构强度减弱。室温ECAP变形过程中晶粒取向的变化主要以晶向绕TD轴的旋转为主,晶面旋转幅度较小。RS变形使得ECAP形变织构发生根本改变,柱面织构基本消失,形成以锥面织构和基面织构为主的形变织构,且织构强度显著增加。纯钛室温ECAP+RS复合变形过程中ODF图的演变是连续的,说明其塑性变形机制以位错滑移为主。

关键词： ECAP 旋锻纯钛织构

变形方式对工业纯钛室温ECAP组织及性能影响

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稀有金属材料与工程 2009年第11期38卷 1910-1915页

作者：杨西荣赵西成付文杰西安建筑科技大学陕西西安710055 西部材料有限公司陕西西安710065

采用2通道夹角Φ=120°,外圆角Ψ=20°的模具,在室温分别采用A方式(相邻道次间试样不旋转)、B方式(相邻道次间,沿试样长度方向旋转90°进入下一道次)及C方式(相邻道次间,沿试样长度方向旋转180°进入下一道次)成功实现工业纯钛2道次等... 详细信息

采用2通道夹角Φ=120°,外圆角Ψ=20°的模具,在室温分别采用A方式(相邻道次间试样不旋转)、B方式(相邻道次间,沿试样长度方向旋转90°进入下一道次)及C方式(相邻道次间,沿试样长度方向旋转180°进入下一道次)成功实现工业纯钛2道次等径弯曲通道变形(ECAP),观测分析试样显微组织和力学性能。结果表明:在室温下按不同变形方式进行ECAP变形2道次后,工业纯钛的强化效果基本相同。第1道次所形成的变形组织在第2道次变形时的变形机制及变形组织的演变规律因采取的变形方式而不同,从而使得形成的组织形貌不同,B、C方式皆可形成等轴胞状组织。

关键词： ECAP 工业纯钛组织力学性能