选区激光熔化Co-Cr-Mo合金的组织、织构和力学性能研究

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钴铬钼(Co-Cr-Mo)合金由于具有良好的生物相容性和力学性能,使其广泛应用于生物医用材料领域,包括髋关节植入体、口腔义齿和心血管支架等。然而Co-Cr-Mo合金在摩擦磨损时容易产生磨屑,尤其在人工髋关节两个金属结合的界面处容易产生碎屑,进而影响假肢在人体内的运作。提升Co-Cr-Mo合金中的HCP结构的马氏体相含量,可以有效提升其硬度和耐磨性能,因而理解HCP和FCC结构的转变和调控机制变得十分重要,将有助于制备高马氏体含量的Co-Cr-Mo合金。选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)技术目前广泛用于制备高性能和形状复杂的金属零部件。因此,本论文主要研究Co-Cr-Mo合金中HCP和FCC结构的调控和转变机制,以及HCP和FCC结构相对含量对合金力学性能和强韧化机理的影响。主要内容如下:(1)采用SLM技术制备出马氏体结构为主要组织的Co-Cr-Mo合金,马氏体含量达到了95%,显著高于铸造样品的60%。SLM Co-Cr-Mo合金产生高含量马氏体相的原因在于SLM制备过程中产生了高密度位错和层错,这些内部缺陷容易成为形核位置,促进FCC结构向HCP结构的转变。该合金屈服强度为735 MPa,抗拉强度为1211 MPa,延伸率为12.1%。强化机制主要源于内部的高密度位错、马氏体和胞状结构对位错滑移的阻碍导致,建立了具有胞状结构和马氏体辉纹结构合金的强化模型。良好塑性来源于多级结构和马氏体辉纹间的残余FCC结构的塑性弯曲变形,这有助于获得稳定的加工硬化速率。(2)研究不同热处理温度对SLM Co-Cr-Mo合金的微观组织和力学性能的影响。当热处理温度为873K时,胞状结构和马氏体辉纹结构依然保持,屈服强度提升到893MPa,拉伸强度为1214 MPa,延伸率为13.8%;当温度为1173K时,屈服强度和延展性下降,屈服强度为860 MPa,拉伸强度为1078 MPa,延伸率为2.5%,这是因为胞状结构和马氏体辉纹结构消失、晶粒粗大和晶界析出了大量不连续第二相,促进了晶间断裂。(3)采用XRD、EBSD和中子衍射技术对打印态和热处理态SLM Co-Cr-Mo合金织构进行研究。基于特殊的打印策略(72°环形扫描方式),首次发现SLM Co-Cr-Mo合金具有三维维度的五次对称织构,表现出与二维维度不同的织构特征。极图上的五次对称织构由同一组衍射斑点围绕极图中心依次旋转72°得到,如一组(110)织构旋转4次得到5组斑点。五组斑点分布对应五个方向的扫描平面,每个扫描平面都出现较弱的高斯织构。该织构使得马氏体在二维尺度下呈等腰三角性平面分布。热处理温度升高促进FCC相向HCP相的转变,相转变遵循N-S关系并形成四种马氏体变体。
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