發(fā)布時(shí)間：2019-03-30 14:40

【摘要】：非晶晶化法在制備納米晶／超細(xì)晶材料方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；多孔材料力學(xué)性能可大幅度調(diào)控。基于此,本文的研究目標(biāo)是采用粉末固結(jié)技術(shù)結(jié)合非晶晶化法,制備出極低模量(與人骨接近或匹配,30GPa)、高強(qiáng)度的超細(xì)晶醫(yī)用鈦合金,為生物相容性和力學(xué)相容性優(yōu)異的高性能生物醫(yī)用材料的制備提供一種方法。首先,從提高生物相容性、力學(xué)相容性、及非晶形成能力(GFA)角度出發(fā),根據(jù)d-電子合金設(shè)計(jì)理論、Inoue三原則、熱力學(xué)Miedema理論、Mo當(dāng)量、電子濃度e/a和[團(tuán)簇](連接原子)x結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)了Ti70.0Nb23.33Zr5.0Ta1.67、Ti68.0Nb23.33Zr5.0Tai.67Si2.0 、 Ti65.0Nb23.33Zr5..Tai.67Si5.0 (at.%,含Si合金體系),及Ti72.19Nb16.69Zr5.58Fe5.54、 Ti71.08Nb16.69Zr5.58Ta1.11Fe5.54、Ti65.0Nb23.33Zr5.0Ta1.67Fe5.0(含F(xiàn)e合金體系)六種醫(yī)用鈦合金成分；并對(duì)鈦合金成分的GFA、彈性模量進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)和解析。這為高性能醫(yī)用鈦合金成分的設(shè)計(jì)提供了充分的理論支持。其次,選取Ti65.0Nb23.33Zr5.0Ta1.67Si5.0合金成分,通過(guò)機(jī)械合金化制備非晶粉末,基于晶化動(dòng)力學(xué)模型,研究了非等溫和等溫晶化條件下超細(xì)晶塊體鈦合金的形成機(jī)理。結(jié)果表明：非晶粉末晶化過(guò)程分為兩個(gè)階段,分別析出β-Ti和(Ti,Zr)2Si相；第一階段晶化激活能小于第二階段,有利于形成β-Ti為基體、(Ti,Zr)2Si為第二相的兩相結(jié)構(gòu)；非等溫和等溫晶化機(jī)制差異不大,第一階段是體擴(kuò)散控制的三維、二維形核長(zhǎng)大方式,第二階段是體擴(kuò)散控制的三維形核長(zhǎng)大方式,形核率先增后減；非等溫晶化與等溫晶化相比,由于保溫時(shí)間短,長(zhǎng)大率較低,合成的塊體合金晶粒尺寸較小、屈服強(qiáng)度較高；等溫晶化高溫與低溫相比,由于形核率較高,合成的塊體合金晶粒尺寸較小、屈服強(qiáng)度較高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果從晶化動(dòng)力學(xué)角度,揭示了非等溫和等溫晶化機(jī)制與超細(xì)晶塊體合金微觀組織和力學(xué)性能的內(nèi)在關(guān)系,為采用粉末固結(jié)-非晶晶化法制備高性能超細(xì)晶醫(yī)用鈦合金提供了理論和實(shí)踐指導(dǎo)。第三,采用機(jī)械合金化法制備了六種非晶／納米晶粉末。結(jié)果表明：Si含量對(duì)含Si合金體系GFA影響顯著,合金GFA隨Si含量增加而增強(qiáng)。當(dāng)Si=0時(shí),球磨終態(tài)粉末為純納米晶；當(dāng)Si=2at.%時(shí),球磨終態(tài)粉末為非晶／納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)；只有Si=5at.%時(shí),球磨終態(tài)粉末為純非晶結(jié)構(gòu)。此外,微量Fe添加是含F(xiàn)e合金體系具有GFA的主要因素,Nb含量對(duì)含F(xiàn)e合金體系GFA沒(méi)有明顯的影響。由于Fe含量相近,球磨終態(tài)粉末都為非晶／納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)。六種合金成分中,Ti65.0Nb23.33Zr5.0Ta1.67Si5.0的GFA最高。第四,采用SPS-非晶晶化法快速固結(jié)非晶／納米晶粉末制備近全致密超細(xì)晶塊體含Si與含F(xiàn)e鈦合金。結(jié)果表明：Si含量對(duì)塊體含Si鈦合金微觀組織和力學(xué)性能產(chǎn)生了定的影響。當(dāng)Si=0時(shí),合金為純?chǔ)?Ti；當(dāng)Si=2.5at.%時(shí),合金為β-Ti基體包圍等軸晶(Ti,Zr)2Si增強(qiáng)相的兩相結(jié)構(gòu)。隨Si含量增加,(Ti,Zr)2Si增多,合金彈性模量、屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度有所增加,斷裂應(yīng)變有所減小。當(dāng)Si=2.5at.%時(shí),塊體合金具有較好的綜合力學(xué)性能,其斷裂應(yīng)變高達(dá)58-66%,屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度分別為1143-1347MPa和2793-3267MPa,同時(shí)彈性模量低至37-40GPa,是目前文獻(xiàn)報(bào)道的醫(yī)用β型鈦合金中的極低值,非常接近人骨的彈性模量。同時(shí),Nb含量對(duì)塊體含F(xiàn)e鈦合金的力學(xué)性能產(chǎn)生了較大的影響。當(dāng)Nb=23.33 at.%時(shí),合金具有顯著的塑性；當(dāng)Nb=16.69at.%時(shí),合金塑性較差。力學(xué)性能的差異主要由塊體合金微觀組織決定。當(dāng)Nb=23.33 at.%時(shí),合金主要由β-Ti和FeTi2及少量α-Ti三相組成；當(dāng)Nb=16.69at.％時(shí),合金主要由β-Ti和α-Ti及少量FeTi2三相組成。Nb含量越高,合金中β-Ti含量越高,α-Ti含量越低,合金的塑性越好。當(dāng)Nb=23.33 at.%時(shí),塊體合金具有較好的綜合力學(xué)性能,其彈性模量、斷裂應(yīng)變、斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為65GPa.23.4%.2872MPa和2247MPa；與含Si塊體鈦合金相比,其彈性模量偏高,主要由微觀組織決定。第五,為進(jìn)一步降低近全致密塊體合金的彈性模量,優(yōu)選高強(qiáng)低模Ti65.0Nb23.33Zr5.0Ta1.67Si5.0(TNZTS)和Ti65.0Nb23.33Zr5.0Ta1.67Fe5.0(TNZTF)合金成分,采用粉末固結(jié)-非晶晶化法制備了不同造孔劑含量的多孔細(xì)晶塊體鈦合金。結(jié)果表明：造孔劑含量對(duì)多孔塊體合金的相組成沒(méi)有顯著的影響,對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能產(chǎn)生了較大影響。多孔TNZTS合金由β-Ti和(Ti,Zr)2Si兩相組成,多孔TNZTF合金由β-Ti、α-Ti和FeTi2三相組成。隨造孔劑含量增加,孔隙率線性增加、孔徑增大、孔隙不規(guī)則度增加,彈性模量和壓縮強(qiáng)度線性下降。由于微觀組織不同,多孔TNZTF合金具有較高的強(qiáng)度,其孔隙率和壓縮強(qiáng)度分別為50-56%197-327MPa,同時(shí)彈性模量降低至9.7-12.2GPa,與人骨相匹配。在如此高孔隙率下,獲得的強(qiáng)度是目前文獻(xiàn)報(bào)道的醫(yī)用多孔鈦合金中的較高值。同時(shí),選取Ti72.19Nb16.69Zr5.58Fe5.54(TNZF)合金成分,分別固結(jié)TNZF元素粉和非晶粉制備多孔塊體合金。結(jié)果表明：在相同的制備工藝下,固結(jié)非晶粉制備的多孔塊體合金不僅相區(qū)尺寸小、相分布均勻且壓縮強(qiáng)度高,突出了非晶晶化法在制備醫(yī)用多孔鈦合金中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。最后,優(yōu)選近全致密高強(qiáng)低模超細(xì)晶塊體TNZTS和TNZTF合金,對(duì)其耐摩擦磨損性能和電化學(xué)性能進(jìn)行研究,并與常見(jiàn)的鑄造Ti-6A1-4V ELI(TAV ELI)和純鈦(CP Ti)醫(yī)用棒材進(jìn)行比較。結(jié)果表明：在Hank's平衡鹽溶液中,TNZTF和TNZTS具有相對(duì)較好的耐摩擦磨損性能,CP Ti相對(duì)最差,四種材料的磨損量是TNZTFTNZTSTAV ELI＜CP Ti; TNZTS和TNZTF具有相對(duì)較好的耐腐蝕性能,CP Ti相對(duì)最差,四種材料的耐蝕性是TNZTSTNZTFTAV ELICP Ti 。
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【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG146.23

【參考文獻(xiàn)】

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1 趙杰;段洪濤;李海濤;;低彈性模量Ti-27Nb-8Zr醫(yī)用鈦合金組織與力學(xué)性能(英文)[J];稀有金屬材料與工程;2010年10期

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本文編號(hào)：2450175