導讀：鈦(Ti)具有優異的耐腐蝕性、低彈性模量和良好的生物相容性，是一種很有前途的生物醫學材料。然而，鈦由于其較差的耐磨性能和強度-延展性權衡而面臨兩難境地，本文開發了一種充氧方法來制造具有超高表面硬度、強度、韌性和顯著耐磨性的 β-Ti 合金。β-Ti合金優異的力學性能源于200 μm厚的α+β相硬殼、600 μm的氧梯度區域和無氧的β-Ti核。獨特的氧梯度分布使 β-Ti 合金更加堅固和堅韌，可以抵抗表面裂紋擴展和樣品災難性失效。

鈦 (Ti) 合金具有重量輕、強度重量比高、耐腐蝕性能優異等優點，是航空航天和生物醫學領域不可缺少的工程結構和功能材料等。鈦有兩個同素異形相，低于 882 ?C 的六方密堆積 (HCP) α 相和高于體心立方 (BCC) 的 β 相。通過添加β-穩定劑（如Mo、Nb、Cr）和適當的熱處理，在室溫下形成亞穩態β相。由于較低的彈性模量, 增強的生物相容性和優越的耐腐蝕性,β-Ti合金被認為是一種很有前途的人體永久性植入物。然而，關節摩擦引起的骨科植入物松動甚至失效事故對生物醫學β-Ti合金的設計和制造提出了挑戰。提出了幾種表面改性來提高Ti植入物的硬度和表面磨損性能。然而，涂層失效的潛在危害和高成本使得表面改性成為不利的選擇。

西安交通大學材料力學行為國家重點實驗室納米材料性能提升研究中心韓衛忠教授團隊在這項研究中，制造了一種具有組合梯度相結構和氧分布的有前景的 β-Ti 合金。氧溶質通過形成超硬α板條層和氧梯度分布區來強化β-Ti合金，從而實現超高硬度、強度和耐磨性的協同作用。由氧溶質控制的變形機制從簡單但不尋常的α相基底滑移轉變為β相的多重滑移活動。通過在負載下形成許多表面裂紋，OC-β-Ti 具有高韌性，并且由于具有延展性的無氧芯而具有抵抗災難性破壞的能力。優異的機械性能 充氧 β-Ti 為開發可靠、耐用和經濟的生物醫學植入物鋪平了道路。相關研究成果以題“Design of high strength and wear-resistance β-Ti alloy via oxygen-charging”發表在金屬頂刊Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422000738

在這項研究中，我們使用充氧技術來加工 β-Ti 合金。帶氧樣品具有 200 μm 厚的 α+β 相硬殼、600 μm 氧梯度區域和無氧 β-Ti 核。這種具有這種新穎梯度顯微組織的β-Ti合金具有超高的硬度、強度、韌性和顯著的耐磨性。此外，這種 β-Ti 合金由于梯度微觀結構和無氧延展性芯部而可抵抗表面裂紋擴展和災難性破壞。充氧技術是實現高性能鈦注入的一種可行且經濟的手段。

ORI-β-Ti 具有等軸晶粒，平均尺寸為 300 μm，如圖 1 (a) 所示。圖 1 (b) 顯示了充氧裝置的卡通圖。充氧法不僅在樣品頂部引入了薄的氧化層，而且還引入了具有氧梯度分布的寬區域。充氧后，一些板條相在充氧的β-Ti的上表面形成，如圖1 （c）所示。圖 1 (d)中的XRD 圖案表明這些板條相是 HCP α-Ti。表面氧化物在成像之前通過機械研磨去除了層，并且根據圖1 （d）中的XRD圖案沒有氧化物殘留。圖 3展示了 OC-β-Ti 的三維微觀結構和相應的維氏硬度分布。氧氣濃度從樣品表面到內部逐漸降低。類似地，維氏硬度也從樣品的頂面到中心降低，如圖3所示。硬度分布反映了氧在β-Ti截面中的梯度分布。OC4h-β-Ti 的亞表面硬度達到 1125 HV，與 ORI-β-Ti (284 HV) 相比幾乎是四倍。OC4h-β-Ti 的亞表面硬度遠高于其他表面改性所能達到的最大硬度，例如離子注入、電化學或熱氧化等。

圖 1。(a) ORI-β-Ti 的微觀結構。(b) 用于制造氧梯度 β-Ti 的充氧實驗裝置的卡通圖。(c) 充氧 1h β-Ti 的表面微觀結構。(d)充氧前后 β-Ti 的XRD 圖譜。

圖 2。(a) OC-β-Ti 的橫截面 SEM 圖像。(b) 放大圖像，顯示 (a) 中用綠色框標記的區域，α 相在 β 矩陣中形成。(c) 區域 (b) 中合金元素的濃度。（d）（a）中用黑框標記的區域的相位圖。(e) α相和β相的取向關系可以根據極圖確定。

所有 ORI-β-Ti、OC1h-β-Ti 和 OC4h-β-Ti 樣品均顯示穿晶準解理斷裂形態。ORI-β-Ti 的斷口比較光滑，如圖 1 所示。8 (a) 至 (b)。在圖 1 和圖 2 中，在充氧樣品的斷裂面上觀察到了典型的解理步驟。8（d）和（g）。由于氧溶質梯度和相變化的影響，斷裂后的側表面是獨特的。由于 ORI-β-Ti 的均勻變形，幾乎看不到任何裂紋，如圖 1 和圖 2 所示。8 (c)。與 ORI-β-Ti 的斷裂模式相比，OC1h-β-Ti 表面出現大量滑移痕跡和大量裂紋，如圖 1 和圖 2 中的箭頭所示。

圖 3。帶氧β-Ti的三維顯微組織和硬度分布。HV 是維氏硬度的單位。充氧不同時間后β-Ti的硬度分布如圖下部所示。硬度的變化與不同的顯微組織有關，如α+β溶氧區（簡稱α+βODZ）、β溶氧區（簡稱β-ODZ）和β無氧區（簡稱為β-NOZ）。

圖 4。α+β ODZ 的變形機制。(a) α+β ODZ 中壓痕的 SEM 顯微照片。硬度標注在圖的右上角，d是試樣表面到壓痕部位的距離。(b) 典型的 TEM 顯微照片，顯示 α 相中滑帶的特征。(c) 壓痕下 α 相滑移軌跡的交點。(d) 示意圖顯示了六邊形密排晶胞中滑移面的激活。

圖 5。β-ODZ 的變形機制。(a) β-ODZ 中壓痕的 SEM 顯微照片。(b) TEM 顯微照片顯示壓痕下方的平行滑移線。(c) TEM 圖像顯示沿 {233} 平面的一些彎曲滑移軌跡。(d) 在壓痕邊緣下方滑動特征。(e) 相鄰壓痕區域下方的變形特征，(f) β-ODZ 中的滑移面示意圖。

圖 6。β-NOZ 的變形機制。(a) β-NOZ 中壓痕的 SEM 顯微照片。(b) TEM 顯微照片顯示壓痕下滑帶的特征。(c) 壓痕下方淺層區域的滑移線。(d) 壓痕下方深層區域的滑線。(e) 壓痕附近區域的變形特征。(f) β-NOZ 中的滑移面示意圖。

圖 7。ORI-β-Ti和OC-β-Ti的壓縮應力-應變曲線（1h和4h）。插圖顯示了壓縮后失效樣品表面的變形特征。兩個 OC-β-Ti 樣品在壓縮結束時都顯示出應力-應變曲線的上升。

圖 8。ORI-β-Ti、OC1h-β-Ti和OC4h-β-Ti壓縮后斷口和側面的SEM照片。(a) 至 (c) ORI-β-Ti 中的斷裂特征，(d) 至 (f) OC1h-β-Ti 中的斷裂特征。(g) 到 (k) OC4h-β-Ti 的斷裂特征。

圖 9。ORI-β-Ti和OC4h-β-Ti的兩體磨粒磨損行為。(a) 體重減輕和磨損率。(b)表面粗糙度。磨損測試的 3D 激光形態 (c) ORI-β-Ti 和 (d) OC4h-β-Ti 在 3N 的正常負載下經受 SiC 磨料。

圖 10。OC4h-β-Ti 與其他生物醫用鈦合金的機械性能比較。(a) 屈服強度與延展性和 (b) 最大強度與延展性。(c) OC4h-β-Ti、ORI-β-Ti 和其他具有常規表面改性的生物醫學 Ti 合金的硬度與硬化層厚度的關系圖。T 是張力的縮寫，C 是壓縮的縮寫。