导读：钛(Ti)具有优异的耐腐蚀性、低弹性模量和良好的生物相容性，是一种很有前途的生物医学材料。然而，钛由于其较差的耐磨性能和强度-延展性权衡而面临两难境地，本文开发了一种充氧方法来制造具有超高表面硬度、强度、韧性和显著耐磨性的 β-Ti 合金。β-Ti合金优异的力学性能源于200 μm厚的α+β相硬壳、600 μm的氧梯度区域和无氧的β-Ti核。独特的氧梯度分布使 β-Ti 合金更加坚固和坚韧，可以抵抗表面裂纹扩展和样品灾难性失效。

钛 (Ti) 合金具有重量轻、强度重量比高、耐腐蚀性能优异等优点，是航空航天和生物医学领域不可缺少的工程结构和功能材料等。钛有两个同素异形相，低于 882 ?C 的六方密堆积 (HCP) α 相和高于体心立方 (BCC) 的 β 相。通过添加β-稳定剂（如Mo、Nb、Cr）和适当的热处理，在室温下形成亚稳态β相。由于较低的弹性模量, 增强的生物相容性和优越的耐腐蚀性,β-Ti合金被认为是一种很有前途的人体永久性植入物。然而，关节摩擦引起的骨科植入物松动甚至失效事故对生物医学β-Ti合金的设计和制造提出了挑战。提出了几种表面改性来提高Ti植入物的硬度和表面磨损性能。然而，涂层失效的潜在危害和高成本使得表面改性成为不利的选择。

西安交通大学材料力学行为国家重点实验室纳米材料性能提升研究中心韩卫忠教授团队在这项研究中，制造了一种具有组合梯度相结构和氧分布的有前景的 β-Ti 合金。氧溶质通过形成超硬α板条层和氧梯度分布区来强化β-Ti合金，从而实现超高硬度、强度和耐磨性的协同作用。由氧溶质控制的变形机制从简单但不寻常的α相基底滑移转变为β相的多重滑移活动。通过在负载下形成许多表面裂纹，OC-β-Ti 具有高韧性，并且由于具有延展性的无氧芯而具有抵抗灾难性破坏的能力。优异的机械性能 充氧 β-Ti 为开发可靠、耐用和经济的生物医学植入物铺平了道路。相关研究成果以题“Design of high strength and wear-resistance β-Ti alloy via oxygen-charging”发表在金属顶刊Acta Materialia上。

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

在这项研究中，我们使用充氧技术来加工 β-Ti 合金。带氧样品具有 200 μm 厚的 α+β 相硬壳、600 μm 氧梯度区域和无氧 β-Ti 核。这种具有这种新颖梯度显微组织的β-Ti合金具有超高的硬度、强度、韧性和显着的耐磨性。此外，这种 β-Ti 合金由于梯度微观结构和无氧延展性芯部而可抵抗表面裂纹扩展和灾难性破坏。充氧技术是实现高性能钛注入的一种可行且经济的手段。

ORI-β-Ti 具有等轴晶粒，平均尺寸为 300 μm，如图 1 (a) 所示。图 1 (b) 显示了充氧装置的卡通图。充氧法不仅在样品顶部引入了薄的氧化层，而且还引入了具有氧梯度分布的宽区域。充氧后，一些板条相在充氧的β-Ti的上表面形成，如图1 （c）所示。图 1 (d)中的XRD 图案表明这些板条相是 HCP α-Ti。表面氧化物在成像之前通过机械研磨去除了层，并且根据图1 （d）中的XRD图案没有氧化物残留。图 3展示了 OC-β-Ti 的三维微观结构和相应的维氏硬度分布。氧气浓度从样品表面到内部逐渐降低。类似地，维氏硬度也从样品的顶面到中心降低，如图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 的亚表面硬度达到 1125 HV，与 ORI-β-Ti (284 HV) 相比几乎是四倍。OC4h-β-Ti 的亚表面硬度远高于其他表面改性所能达到的最大硬度，例如离子注入、电化学或热氧化等。

图 1。(a) ORI-β-Ti 的微观结构。(b) 用于制造氧梯度 β-Ti 的充氧实验装置的卡通图。(c) 充氧 1h β-Ti 的表面微观结构。(d)充氧前后 β-Ti 的XRD 图谱。

图 2。(a) OC-β-Ti 的横截面 SEM 图像。(b) 放大图像，显示 (a) 中用绿色框标记的区域，α 相在 β 矩阵中形成。(c) 区域 (b) 中合金元素的浓度。（d）（a）中用黑框标记的区域的相位图。(e) α相和β相的取向关系可以根据极图确定。

所有 ORI-β-Ti、OC1h-β-Ti 和 OC4h-β-Ti 样品均显示穿晶准解理断裂形态。ORI-β-Ti 的断口比较光滑，如图 1 所示。8 (a) 至 (b)。在图 1 和图 2 中，在充氧样品的断裂面上观察到了典型的解理步骤。8（d）和（g）。由于氧溶质梯度和相变化的影响，断裂后的侧表面是独特的。由于 ORI-β-Ti 的均匀变形，几乎看不到任何裂纹，如图 1 和图 2 所示。8 (c)。与 ORI-β-Ti 的断裂模式相比，OC1h-β-Ti 表面出现大量滑移痕迹和大量裂纹，如图 1 和图 2 中的箭头所示。

图 3。带氧β-Ti的三维显微组织和硬度分布。HV 是维氏硬度的单位。充氧不同时间后β-Ti的硬度分布如图下部所示。硬度的变化与不同的显微组织有关，如α+β溶氧区（简称α+βODZ）、β溶氧区（简称β-ODZ）和β无氧区（简称为β-NOZ）。

图 4。α+β ODZ 的变形机制。(a) α+β ODZ 中压痕的 SEM 显微照片。硬度标注在图的右上角，d是试样表面到压痕部位的距离。(b) 典型的 TEM 显微照片，显示 α 相中滑带的特征。(c) 压痕下 α 相滑移轨迹的交点。(d) 示意图显示了六边形密排晶胞中滑移面的激活。

图 5。β-ODZ 的变形机制。(a) β-ODZ 中压痕的 SEM 显微照片。(b) TEM 显微照片显示压痕下方的平行滑移线。(c) TEM 图像显示沿 {233} 平面的一些弯曲滑移轨迹。(d) 在压痕边缘下方滑动特征。(e) 相邻压痕区域下方的变形特征，(f) β-ODZ 中的滑移面示意图。

图 6。β-NOZ 的变形机制。(a) β-NOZ 中压痕的 SEM 显微照片。(b) TEM 显微照片显示压痕下滑带的特征。(c) 压痕下方浅层区域的滑移线。(d) 压痕下方深层区域的滑线。(e) 压痕附近区域的变形特征。(f) β-NOZ 中的滑移面示意图。

图 7。ORI-β-Ti和OC-β-Ti的压缩应力-应变曲线（1h和4h）。插图显示了压缩后失效样品表面的变形特征。两个 OC-β-Ti 样品在压缩结束时都显示出应力-应变曲线的上升。

图 8。ORI-β-Ti、OC1h-β-Ti和OC4h-β-Ti压缩后断口和侧面的SEM照片。(a) 至 (c) ORI-β-Ti 中的断裂特征，(d) 至 (f) OC1h-β-Ti 中的断裂特征。(g) 到 (k) OC4h-β-Ti 的断裂特征。

图 9。ORI-β-Ti和OC4h-β-Ti的两体磨粒磨损行为。(a) 体重减轻和磨损率。(b)表面粗糙度。磨损测试的 3D 激光形态 (c) ORI-β-Ti 和 (d) OC4h-β-Ti 在 3N 的正常负载下经受 SiC 磨料。

图 10。OC4h-β-Ti 与其他生物医用钛合金的机械性能比较。(a) 屈服强度与延展性和 (b) 最大强度与延展性。(c) OC4h-β-Ti、ORI-β-Ti 和其他具有常规表面改性的生物医学 Ti 合金的硬度与硬化层厚度的关系图。T 是张力的缩写，C 是压缩的缩写。