一种生物医用β型Ti-13Nb-1.5Ta-3Mo合金高温变形行为的建模与表征

《Materials Science and Engineering: A》：Modeling and Characterization of High Temperature Deformation Behaviour of a Biomedical β-type Ti–13Nb–1.5Ta–3Mo Alloy

　　

## 摘要

- 表征了医用β型Ti–13Nb–1.5Ta–3Mo合金在800–900 °C、0.01–10 s?1应变率范围内的热变形行为，应变达到0.6。
- 反向传播人工神经网络（BP-ANN）模型的预测精度优于应变补偿型Arrhenius（SC Arrhenius）模型（R=0.9997，AARE=0.5333% vs. R=0.9882，AARE=4.3855%）。
- 热加工图识别出稳定变形区域在低应变率（0.01–0.1 s?1）下占主导，而不稳定区域在高应变率（>1 s?1）下占主导。
- 动态回复（DRV）被确认为主要的软化机制，而连续动态再结晶（CDRX）和局部非连续动态再结晶（DDRX）的起始发生在低应变率（0.01 s?1）。
- 微观结构演化证实了受流动不稳定性主导的区域中存在流动局部化现象。

## 引言

钛及其合金因其高强度、优异的耐腐蚀性和低密度等出色性能，被广泛应用于能源、医疗和航空航天等各种工业领域 [1]、[2]、[3]、[4]、[5]。传统的用于生物医学应用的金属合金，如Ti–6Al–4V、镍钛合金（Nitinol）、316L不锈钢和L605，存在显著的局限性，因为它们会释放铝（Al）、钒（V）和镍（Ni）离子，这些离子会导致健康问题 [2]、[6]。来自Ti-6Al-4V等标准医用合金的钒和铝在腐蚀或磨损释放离子进入局部组织后，在阈值浓度附近（钒约为23 μM，铝为变化的痕量水平）会产生细胞毒性或神经毒性 [6]。因此，β钛（β Ti）合金因其优异的生物相容性而成为生物材料的关注焦点，许多研究人员致力于设计和开发这些合金 [7]、[8]、[9]。然而，与常规医用合金相比，它们在需要强度和延展性优异组合的先进医疗应用（如球囊扩张支架）中的使用受到限制 [2]。这些问题促使全球许多研究人员设计开发适合此类医疗应用的新Ti基合金 [10]、[11]。Gordin D.M.等人 [11] 开发了一种新的生物相容性Ti基Ti–16Nb–8Mo（wt%）合金，表现出优异的机械性能（延伸率超过45%，屈服强度420 MPa，抗拉强度高达650 MPa）。优异的强度得益于应变硬化，同时还表明大延伸率得益于孪生诱导塑性和相变诱导塑性等复杂变形机制。Bortolan C.C.等人 [10] 也开发了两种新的Ti基合金，包括Ti–8Mo–2Fe和Ti–10.5Mo–1Fe（wt%），分别表现出卓越的屈服强度772 MPa和523 MPa，以及显著的均匀延伸率22%和34%。他们将优异的强度归因于应力诱导马氏体α″的缺乏作为主要塑性变形机制以及铁的固溶强化。此外，合金的良好延展性归功于{332}?113?孪晶的存在。最近，Otabil A.等人 [12] 开发了一种新的生物相容性β Ti基合金Ti–13Nb–1.5Ta–3Mo，具有优异的强度和延展性组合，被设计用作支架材料。在本研究中，我们研究了这种β Ti基合金的热变形行为。

热加工方法如热锻、热轧和热挤压是重要的冶金制造工艺，在这些过程中微观结构和织构的演化在决定合金的机械性能方面起着关键作用 [13]、[14]、[15]。因此，包括β Ti基合金在内的金属材料的机械性能可以通过优化热变形参数（包括应变率、温度和应变）来控制其微观结构来进行调控 [15]、[16]。各种本构模型，如Johnson-Cook模型 [17] 和Arrhenius型模型 [18]，已被用于关联流动应力与热变形参数。在0.001–10 s?1的应变率范围内，Arrhenius型模型是最常用的本构模型。为了提高Arrhenius型本构模型的精度，Lin Y.C.等人 [19] 引入了一种应变补偿方法，将应变对流动应力的影响纳入其中，从而显著提高了模型的精度。由于机器学习的快速发展，神经网络模型也最近被采用，并被证明与流动应力和热变形参数之间具有优异的相关性，优于传统本构模型 [20]。此外，热变形特性对于设计高效的加工图至关重要，这些加工图可以指示受控的晶粒结构和优化机械性能的区域 [18]、[21]。Yamanaka K.等人 [22] 使用Arrhenius型模型分析了Ti–5Al–2Sn–2Zr–4Mo–4Cr合金在β相区的高温变形流动行为，并进一步基于动态材料模型（DMM）构建了加工图。研究结果表明，随着应变率的增加，功率耗散效率（η）持续下降。在900–1100 °C范围内所有温度下，仅在应变率超过0.1 s?1时才会出现流动不稳定性。Zhang J.等人 [23] 也研究了β Ti–15V–3Cr–3Sn–3Al合金在850–1150 °C温度和0.001–10 s?1应变率范围内的热变形行为。结果表明，在所有研究温度下，热变形的最佳区域位于0.001–0.1 s?1的应变率区间内，在此范围内激活能约为240 ± 5 kJ/mol。Ge G.等人 [24] 采用人工神经网络（ANN）对β + γ TiAl合金的热变形行为进行了建模。其ANN模型表现出惊人的精度，平均绝对相对误差为1.28%，相关系数为0.99988。在一项相关研究中，Cheng L.等人 [20] 同时利用ANN和深度神经网络（DNN）模型将Ti–2Al–9.2Mo–2Fe β合金的实验流动应力与应变、应变率和温度相关联。结果表明，两种模型的平均误差值均低于1.08%（DNN为0.98%，ANN为1.08%）。预测结果进一步用于创建加工图，并与测试样品的实际微观结构进行了验证。DNN模型在预测不稳定区域方面优于ANN模型。

这些β Ti合金的微观结构演化研究表明，动态回复（DRV）和动态再结晶（DRX）是热变形期间的主要软化机制，具体取决于加工参数 [25]、[26]、[27]。Ebied S.等人 [28] 研究了医用β Ti–10Mn合金在0.01–10 s?1应变率范围和850–1000 °C温度范围内的热变形行为。微观结构演化表明，在高应变率（>0.1 s?1）下变形时，动态回复占主导而非连续动态再结晶，该合金具有较低的表观激活能243 kJ/mol。与高应变率抑制DRX的传统观点相反 [28]、[29]、[30]，Abbasi S.M.等人 [31] 报告称DRX在高应变率下主导微观结构演化，而DRV在低应变率下是主导机制。然而，由于β Ti合金具有高堆垛层错能 [32]，DRV的偏好经常被观察到。

最近，一种新的生物相容性β合金Ti–13Nb–1.5Ta–3Mo（at%）被设计为潜在的支架生物材料，并表现出优异的机械性能 [12]、[33]。经过90%冷轧并在900 °C退火5分钟后，该合金表现出室温压缩屈服应力、压缩强度和可塑性分别为328±32 MPa、953±18 MPa和≥65%。该合金的高强度归因于软β相与硬应力诱导马氏体α″之间的相互作用所产生的变形诱导强化 [34]、[35]。虽然该合金在室温下已表现出优异的强度和延展性组合，但其在高温变形条件下的行为——即通过热挤压或轧制制造支架坯料的关键阶段——仍完全未被探索。因此，有必要定义一个安全稳定的热力学加工窗口，以避免微观结构不均匀性，后者可能导致薄壁医疗组件的灾难性失效。本研究确定了该特定合金的主导回复机制，并开发了精确的本构和计算模型来预测其流动应力行为。此外，还建立了一个量化的加工窗口，以确保适合后续冷加工阶段的稳定微观结构。

因此，本研究旨在通过一系列等温压缩试验（使用Gleeble 3800力学模拟器在800–900 °C温度范围、0.01–10 s?1应变率范围和0.6应变下进行）来研究Ti–13Nb–1.5Ta–3Mo合金的高温变形特性和微观结构演化。本文引入了一种应变补偿型Arrhenius本构模型和Zener-Hollomon方程来关联流动应力、温度、应变率和应变，并与所开发的ANN模型进行比较。利用DMM开发了应变为0.2、0.4、0.5和0.55的加工图，并通过微观结构分析进行验证。这些研究发现为有效控制β Ti合金在热加工过程中的微观结构演化提供了有价值的见解。

## 片段

### 合金制备

本研究中使用的β型Ti合金通过在电弧炉中熔化钛（Ti）、铌（Nb）、钽（Ta）和钼（Mo）（纯度均超过99.95%）制成，在高纯氩气（99.995%）气氛下进行（ARCAST 200，美国）。炉子配备了水冷铜坩埚。所制备合金的名义化学成分见表1。该合金经历了多次重熔循环（至少六次），通过翻转……

### 初始微观结构

固溶处理后的Ti–13Nb–1.5Ta–3Mo合金的初始微观结构和XRD相分析如图2所示。

如图2(a)所示，微观结构显示出粗大的等轴β晶粒，通过线截法测量的平均晶粒尺寸为357±38 μm。相通过XRD确认，如图2(b)所示。β Ti相的PDF卡片#00-044-1288被用作主要参考以识别合金的相。检测到(110)处的β相峰……

## 结论

在本研究中，通过一系列等温热压缩试验研究了β Ti–13Nb–1.5Ta–3Mo合金的高温变形行为，试验在800–900 °C温度范围和0.01–10 s?1应变率范围内进行。开发了SC Arrhenius和BP-ANN模型并通过统计验证来预测流动应力，同时基于DMM的加工图识别了稳定和不稳定区域，并通过微观结构表征进行了论证。

## 作者贡献声明（CRediT）

**Wojciech Borek：** 写作——审阅与编辑、验证、方法学
**Charles Gama：** 写作——初稿撰写、方法学、调查研究、形式分析、概念化
**Masaaki Nakai：** 写作——审阅与编辑、监督
**Mohamed A.H. Gepreel：** 写作——审阅与编辑、验证、监督、概念化
**Noriyuki Hisamori：** 验证

## 数据可用性

数据可按请求获取。

## 利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能已影响本论文所报告的工作。

## 致谢

作者感谢埃及和日本政府通过TICAD7奖学金以及埃及-日本科技大学（E-JUST）提供的支持，感谢其提供的关键资源、设施和工具，这些促进了本工作的顺利完成。

**Charles Gama | Wojciech Borek | Masaaki Nakai | Noriyuki Hisamori | Mohamed A.H. Gepreel**