退火对表面机械研磨处理纳米化工业纯钛性能的影响

　　表面机械研磨处理[1](Surface Mechanical AttritionTreatment，简称SMAT)技术是近年来研究较热的一种表面自身纳米化方法。这种方法在外加载荷的重复作用下，材料表面粗晶结构通过强烈塑性变形而逐渐细化至纳米量级。钛由于其优异的物理、化学和机械性能，特别是耐蚀性和高的强度/重量比和良好的生物相容性，成为航天航空[2-3]、海洋工程、汽车机械[4]、医疗器械[5-6]等方面的重要材料，但其表面耐疲劳、耐磨损和微动磨损性能差的缺点使其应用受到限制。用SMAT技术制备出的表面纳米化纯钛，不仅提高了钛的耐磨损性能，而且降低了工业纯钛的弹性模量和动态模量，这对于降低其应力遮挡效应、提高生物力学相容性有着重要意义[7]。本研究通过表面机械研磨处理实现工业纯钛的表面纳米化。已有的研究结果表明，用SMAT技术制备出的表面纳米化纯钛可以提高材料的力学性能[8-9](硬度、强度、疲劳等)、摩擦磨损性能[10]、生物力学相容性等，但在本研究中发现表面纳米化使工业纯钛在0.5mol/L H2SO4溶液中的耐腐蚀性能变差，通过对表面纳米化后的工业纯钛进行低温退火处理，在对CP-Ti表层硬度影响不大的前提下，提高其耐腐蚀性能。得到既具有较高的硬度同时又具有较好的抗腐蚀性能的表层组织。

　　1 试验材料与方法

　　试验材料选取厚度为10mm的退火态工业纯钛(CP-Ti)板材，其化学成分如表1所示。将板材切割成100mm×100mm×10mm试样，在SMAT处理前对其进行除锈、去油、磨边等处理。

　　表面纳米化采用表面机械研磨处理法(SMAT)，弹丸直径3mm，振动频率50Hz，处理时间为15min。采用设备型号为NL-100真空热处理炉，真空度为1.0×10-3Pa，对表面纳米化后的工业纯钛进行退火处理，退火温度分别为150、250、350、450、500、550、600 ℃，保温时间均为30min。

　　采用OLYMPUS GX51金相显微镜，观察试样横截面的显微组织。利用岛津XRD-7000型X射线衍射仪测定试样表面的晶粒尺寸。试验采用Cu靶，管电压40kV，管电流40mA，扫描的角度范围为25°～80°。试样硬度由沃泊特401MVD数显显微维氏硬度计测量，载荷砝码为25g，加载时间为15s。腐蚀性能在PS-268A 型电化学测量仪上进行，通过测定在0.5mol/LH2SO4溶液中的自腐蚀电位和动电位扫描测量。在室温下，扫描速度为20mV/min。测量采用三电极体系: Pt 电极为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，待测试样为工作电极。

　　2 试验结果与分析

　　2.1 纳米化对组织形貌的影响

　　图1为原始工业纯钛和SMAT工业纯钛的横截面组织照片。由图1可以看出: SMAT处理15min工业纯钛，表层发生了明显的塑性变形。塑性变形影响区在距处理表面约100μm的范围内。主要的形变方式为孪生，其密度和形貌随距处理表面的深度发生规律性的变化。在近表层区域，所有的组织都已破碎，无法分辨晶粒的大小和晶界，说明该层组织发生了剧烈的塑性变形，原始晶粒已被细化，这个区域被称为剧烈变形区; 距表层较远区域，存在大量多方向的变形孪晶，且越接近表层，形变孪晶越细小、孪晶密度越大、交割程度越严重，靠近心部区域，变形孪晶由多方向相互交叉重叠逐渐过渡为单系孪晶，这个区域被称为过渡的形变孪晶区; 随着距表层距离增加到近似基体等轴晶区，与原始退火态试样相比，它在形貌上看不出有什么明显的变化，但是通过后面的硬度结果可以知道，它还是受到塑性变形的影响而得到了一定的强化。