生物醫(yī)用鈦合金具有高的強(qiáng)度、良好的耐蝕性能、較低的彈性模量、優(yōu)異的生物相容性，已成為目前外科植入物與矯形器械產(chǎn)品的主要材料。與粗晶醫(yī)用鈦合金相比，超細(xì)晶醫(yī)用鈦合金具有更高的強(qiáng)度與更好的疲勞性能以及耐腐蝕性能。而且，超細(xì)晶鈦合金可誘導(dǎo)骨組織向內(nèi)生長，增加界面結(jié)合強(qiáng)度，加快骨修復(fù)進(jìn)程，在硬組織修復(fù)材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
研究表明，大塑性變形技術(shù)是獲取超細(xì)晶鈦合金的重要工藝途徑。大塑性變形技術(shù)可以在不改變金屬材料尺寸的前提下，通過施加很大的剪切應(yīng)力而引入高密度位錯，將晶粒尺寸細(xì)化到1微米以下，獲得由均勻等軸晶組成的超細(xì)晶材料。此法在加工過程中不易引入雜質(zhì)，制得的試樣中沒有殘留縮孔，避免了其他方法制備的超細(xì)晶材料有空洞、致密性差等問題。目前，作為一種有效制備超細(xì)晶以及納米晶材料的方法，大塑性變形技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于制備超細(xì)晶新型生物醫(yī)用鈦合金材料，通過晶粒細(xì)化優(yōu)化了材料的綜合性能，包括強(qiáng)度、塑性、疲勞性能以及耐腐蝕性等。
一、等徑彎角擠壓法( ECAP)。該技術(shù)是將試樣放入2個或多個互成一定角度的等徑彎角通道內(nèi)，在壓力的作用下使試樣通過通道受到均勻的純剪切變形。由于試樣在擠壓前后的三維尺寸保持不變，故可以通過反復(fù)擠壓增大有效應(yīng)變量，從而獲得均勻細(xì)小的組織。例如，采用內(nèi)角120°的模具對Ti-6Al-4V進(jìn)行 4 道次ECAP后晶粒尺寸由28 μm減小到250 nm，其抗拉強(qiáng)度和顯微硬度提高到 773 MPa 和2486 MPa( HV)。
二、高壓扭轉(zhuǎn)法( HPT)。該法是大塑性變形技術(shù)中晶粒細(xì)化能力最強(qiáng)的。試樣在沖頭和支座之間承受很大的壓力，同時由于模支座的旋轉(zhuǎn)，使試樣產(chǎn)生軸向壓縮和切向剪切變形。該法既可以細(xì)化晶粒，也可以使材料內(nèi)部孔隙得到有效的閉合，提高材料的強(qiáng)度和韌性。例如，利用HPT 法處理Ti-6Al-7Nb 合金，5 圈后，顯微硬度值提高了78.70% 。HPT法制備的超細(xì)晶材料的強(qiáng)度可比ECAP法高約500MPa。因此，HPT技術(shù)是一種非常具有應(yīng)用前景的制備超細(xì)晶醫(yī)用鈦合金的工藝。
三、累積疊軋法( AＲB) 。該工藝是將兩塊預(yù)先表面處理過的薄板材料在一定溫度下疊軋并使其軋合，重復(fù)進(jìn)行相同的工藝反復(fù)疊軋，直至達(dá)到所需的有效應(yīng)變量，從而使材料的組織得到細(xì)化。例如，用AＲB法對Ti-25Nb-3Zr-3Mo-2Sn合金軋制處理4 個周期后，晶粒細(xì)化，抗拉強(qiáng)度比原合金提高了70%，達(dá)到1220 MPa，屈服強(qiáng)度增加到 946 MPa。
四、攪拌摩擦加工(FSP) 。這是一種連續(xù)、純機(jī)械的固相焊接工藝，在焊接過程中，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并將攪拌針擠入兩塊對接板材的接縫處，其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切摩擦熱將攪拌針周圍的金屬變軟進(jìn)而熱塑化，使加工部位的材料產(chǎn)生塑性流變。例如，用FSP法處理Ti-6Al-4V，所得合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到1067 MPa和1156 MPa，并且延伸率仍有21.7% 。