生物医学用Zr-2.5Nb合金热轧过程中的微观结构表征及动态再结晶行为分析

《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructure characterization and dynamic recrystallization behavior analysis in hot rolling of biomedical Zr-2.5 Nb alloy

热轧工艺制备Zr-2.5Nb合金研究其显微结构演变和动态再结晶机制，发现低温轧制（620°C）获得最优力学性能：屈服强度437.82MPa，抗拉强度694.38MPa，塑性31%。

　　

田梦瑶|李波|孙国成|吴达|李聪|高一民|梁晨宇

中国西安交通大学材料科学与工程学院材料力学行为国家重点实验室

摘要

本研究采用热挤压和热轧工艺制备了Zr-2.5Nb合金。通过设置620°C、710°C和850°C三种热轧温度，系统研究了不同热轧温度下Zr-2.5Nb合金的热变形行为和微观结构演变。利用EBSD和TEM技术分析了热轧温度对Zr-2.5Nb合金微观结构和再结晶机制的影响。结果表明，随着热轧温度的升高，室温下FCC-Zr的含量逐渐增加，同时平均晶粒尺寸也有所增大。在620°C和710°C时，晶粒分布相对均匀，其中620°C轧制后的晶粒尺寸更细。在逆极图中的<10$\stackrel{?}{1}$0轴方向上形成了与轧制方向平行的纤维状织构。Zr-2.5Nb合金中同时存在动态恢复（DRV）和动态再结晶（DRX）现象，其中DRV占主导。在动态再结晶过程中，连续动态再结晶（CDRX）和不连续动态再结晶（DDRX）共存。在较低温度（620°C和710°C）下CDRX占主导，而随着热轧温度的升高DDRX逐渐增多。此外，对Zr-2.5Nb合金的力学性能测试表明，低温热轧（LHRT：620°C）获得的拉伸性能优于高温热轧（HHRT：850°C）。620°C热轧的Zr-2.5Nb合金具有437.82 MPa的屈服强度、694.38 MPa的抗拉强度以及31%的优异塑性。这些发现为提高用于医疗骨科关节应用的Zr-2.5Nb合金氧化膜的质量提供了理论基础。

引言

锆（Zr）及其合金是一种无毒、无磁性的材料，具有稳定的性能[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。它们在人体液中表现出优异的耐腐蚀性，同时其低弹性模量和出色的力学性能有效防止了应力屏蔽，从而确保了良好的生物相容性[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。基于这些特性，锆合金被广泛用于骨植入物、骨科修复和外科手术器械。铌（Nb）是一种无毒元素，具有优异的生物相容性。将Nb掺入锆合金中可形成体心立方晶格，从而增强固溶强化效果并提高耐腐蚀性[5]。由于这些优异的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性，ZrNb合金已被应用于生物医学骨科植入材料[11]。例如，K.M.等人使用锆合金制造了用于椎骨融合的金属板和螺钉，以及用于干骺端骨折的骨合成板和螺钉[12]。在各种锆铌合金中，Zr-2.5Nb合金是一种常用的成分。它能够形成致密光滑的氧化膜，使得在基底上制备类陶瓷的氧化锆层成为可能[13]、[14]。这显著提高了Zr-2.5Nb合金的表面硬度和耐磨性，使其适用于髋关节骨科植入物[15]、[16]。Song等人利用热氧化技术在合金表面沉积氧化层，从而提高了其在体液中的耐腐蚀性，进一步增强了其适用于骨科关节的应用[13]。总之，锆合金在医疗领域有广泛的应用。

热挤压常用于制备锆合金和镁合金[17]、[18]。该工艺能有效破坏铸态结构并细化晶粒尺寸[19]，从而同时提高材料的强度和韧性[20]。例如，Ma等人通过热挤压制备了平均晶粒尺寸为2.05μm的Mg-Gd-Zn-Zr合金，显著提高了其强度[21]。此外，细化的晶粒结构有助于形成更光滑、更致密的氧化层。研究表明，超细晶粒的ZrNb合金通过晶界扩散强化作用形成更细的ZrO?分散相，从而提高了氧化层的硬度[22]。然而，热挤压可能会引起显著的局部变形[18]。相比之下，热轧往往能产生更均匀、更细的晶粒，并消除挤压过程中可能发生的大尺度非均匀变形[23]。热机械处理被广泛认为是细化微观结构和改善合金性能的有效方法[24]、[25]。例如，Wang等人通过挤压和热轧结合的方式制备了镁合金，获得了细化和均匀的微观结构，从而提高了屈服强度、抗拉强度和延伸率[23]。因此，本研究采用热挤压和随后的热轧来优化Zr-2.5Nb合金的微观结构。

经过不同温度下的热挤压和热轧后，材料会发生不同程度的再结晶，包括不连续动态再结晶（DDRX）和连续动态再结晶（CDRX）[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。再结晶的方式和程度显著影响材料的晶粒尺寸、分布模式、晶界和织构[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。例如，Cheng等人通过三次450°C的热轧处理使4043铝合金实现了接近100%的再结晶，获得了最细且最均匀的晶粒结构[40]。同样，Zhu等人报告称Ti-4Al-6V合金的再结晶程度随温度升高先增加后减少，最均匀的晶粒结构对应于最高再结晶水平[32]。Liang等人对近α-Ti-6Al-1Mo-2Zr-0.55Fe-0.1B合金进行了热压缩实验[33]，观察到当CDRX和DDRX共存时，DDRX的主导作用导致了局部项链状结构的形成。尽管这种微观结构演变会减小平均晶粒尺寸，但通常会导致显著的晶粒尺寸不均匀性。因此，深入了解锆合金的再结晶机制至关重要。尽管有许多研究探讨了锆合金的冷轧、热轧和热处理，但热挤压后紧接着热轧的联合工艺在这些材料中的应用尚未得到充分研究。

本研究利用电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）研究了通过热挤压制备并在不同温度下热轧的Zr-2.5Nb合金的微观结构演变及恢复-再结晶机制。该研究为Zr-2.5Nb合金在医疗骨科关节应用中的工艺优化提供了理论支持。

材料制备

图1展示了Zr-2.5Nb合金的工艺流程图。在本研究中，采用600°C的热挤压方法制备了细晶粒的Zr-2.5Nb合金，随后在620°C、710°C和850°C的温度下进行热轧处理以调节合金的微观结构。热轧应变速率设定为0.01 s?1。单次轧制后的总变形量为60%，之后进行空气冷却处理。剥皮和切割后，得到厚度为30mm的样品。

Zr-2.5Nb合金的EBSD表征

图3展示了不同温度下热轧Zr-2.5Nb合金的XRD图谱。图谱中出现了α-Zr相和β-Zr相的特征峰。α-Zr相的峰较多且强度较高，而β-Zr相的峰较弱。根据衍射理论[41]，衍射峰的强度与相含量呈正相关，这表明Zr-2.5Nb合金主要由α-Zr相组成。

结论

本研究通过热挤压制备了超细晶粒的Zr-2.5Nb合金，并通过热轧进一步实现了均匀细晶粒结构。研究了不同热轧温度下Zr-2.5Nb合金的微观结构演变、再结晶机制和力学性能，得出以下主要结论：

• (1)
  Zr-2.5Nb合金包含α-Zr、β-Zr和FCC-Zr相。随着轧制温度的升高，β-Zr和FCC-Zr的含量分别从1.6%和0.07%增加到7.1%和0.6%

作者贡献声明

梁晨宇：方法学研究。高一民：指导、审稿与编辑、方法学指导、资金申请、概念构思。田梦瑶：初稿撰写、实验研究、数据分析。吴达：方法学研究。孙国成：方法学研究、实验研究。李聪：审稿与编辑、实验研究。

利益冲突声明

无

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFB3814700）和中国国家自然科学基金（项目编号52175184、52405213）的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。