高纯氩气在 Ti74Nb26 合金的加工过程中是严格必需的，因为钛 (Ti) 和铌 (Nb) 是高活性金属，在高温下会与氧气和氮气发生剧烈结合。氩气充当惰性保护罩，将合金粉末与大气隔离，以防止即时化学降解。
核心见解：氩气气氛的主要功能是防止“氧化脆化”。没有这种隔离，合金会吸收间隙氧，从而破坏其机械韧性并损害其预期应用所需的生物相容性。
污染的化学原理
高温反应性
钛和铌对间隙元素，特别是氧和氮，具有很强的化学亲和力。
虽然这些金属在室温下是稳定的，但烧结和热压所需的高热能会加速其反应性。
如果没有保护屏障，合金实际上会充当“吸气剂”，从周围空气中清除氧气并将其掺入其晶格中。
惰性气体的作用
高纯氩气在化学上是惰性的，这意味着即使在极端高温和高压下，它也不会与金属基体发生反应。
通过用氩气填充加工室，您可以物理上置换反应性空气分子。
这会创建一个中性区域，原子扩散和致密化可以在没有化学干扰的情况下发生。
暴露于氧气的严重后果
氧化脆化
缺乏氩气最直接的失效模式是氧化脆化。
当氧气溶解到钛铌晶格中时，它会限制位错在材料内的运动。
这会大大降低延展性，导致最终组件变得像玻璃一样易碎，而不是坚韧而有弹性。
氧化杂质相的形成
氧气不仅仅是溶解；它可以在微观结构内形成明显的氧化物相。
这些氧化物在材料内部充当缺陷或“应力集中点”。
在载荷作用下，裂纹会在这些杂质处引发，导致过早的机械失效。
生物相容性受损
Ti74Nb26 通常因其与生物系统的优异相互作用而被选中。
然而，表面氧化物或内部杂质的形成会改变材料的电化学稳定性。
这种降解会引发不良的生物反应，使零件不适合医疗植入物。
理解权衡
工艺复杂性与材料质量
与标准烧结相比，维持高纯氩气环境会增加制造过程的复杂性和成本。
它需要专门的真空密封室和对气体纯度水平的持续监测。
然而，试图通过使用低纯度气体或部分真空来降低成本，将不可避免地导致零件报废，因为 Ti-Nb 系统极度敏感。
石墨相互作用
在热压情况下，合金通常包含在高强度石墨模具中以施加压力（例如 50 MPa）。
虽然氩气可以防止氧化，但它不能严格防止高温（约 800°C）下石墨模具的碳扩散。
工程师必须通过使用阻挡层或特定的加工窗口来考虑这一点，因为氩气可以解决氧化问题，但不能解决碳化风险。
确保工艺完整性
为了最大限度地提高 Ti74Nb26 的性能，您必须将大气控制与特定的最终目标相结合。
- 如果您的主要重点是机械韧性：确保氩气流是连续且超纯的，以防止间隙硬化，这会破坏延展性。
- 如果您的主要重点是生物相容性：优先消除所有杂质相，因为即使是轻微的氧化也会损害植入物所需的化学稳定性。
Ti74Nb26 的成功固结不仅取决于热量和压力，还取决于完全排除反应性气体。
总结表：
| 因素 | 高纯氩气的影响 | 大气暴露的风险 |
|---|---|---|
| 化学稳定性 | 维持惰性环境；无反应 | 快速吸收氧气和氮气 |
| 机械性能 | 保持延展性和韧性 | 导致氧化脆化和易碎性 |
| 微观结构 | 均匀致密化；清洁晶格 | 氧化杂质和应力点的形成 |
| 生物相容性 | 高电化学稳定性 | 表面化学受损；植入物失效 |
| 制造目标 | 高性能 Ti-Nb 部件 | 报废零件和机械故障 |
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参考文献
- Tarık AYDOĞMUŞ, Fevzi KELEN. PROCESSING OF β-TYPE BIOMEDICAL Ti74Nb26 ALLOY BY COMBINATION OF HOT PRESSING AND HIGH TEMPERATURE SINTERING. DOI: 10.36306/konjes.587790
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
