【摘要】：鈦合金材料因其優(yōu)異的性能,成為高性能金屬材料的代表,并在生物醫(yī)藥方面得到廣泛應(yīng)用。然而傳統(tǒng)的鈦合金,一方面,它們的合金元素如Ni,Al和V,具有毒性和致敏性。另一方面,它們的彈性模量仍然比人骨高,在植入彈性模量不相容的骨科植入物后,它們會導(dǎo)致應(yīng)力遮擋,并導(dǎo)致植入體松動或骨折。為了克服上述問題,近年來已開發(fā)出新一代具有較低模量和較好生物相容性的無毒醫(yī)用鈦合金,其中Ti-24Nb-4Zr-8Sn(Ti2448)彈性模量低、強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好,引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。本課題采用粉末冶金近凈成形技術(shù)制備出了性能優(yōu)異的Ti2448合金,研究了不同工藝制備對合金顯微組織的影響,分析了密度、氧含量、析出相含量等因素,并總結(jié)了其影響機(jī)理。研究了不同工藝制備對合金力學(xué)性能的影響提出了制備低彈性模量、高強(qiáng)度、高塑性Ti2448合金的方法。并對合金的變形機(jī)理進(jìn)行了表征分析,揭示了其性能優(yōu)異的微觀機(jī)理。首先,對粉末冶金燒結(jié)過程進(jìn)行了研究。采用DSC分析了燒結(jié)過程中的物相變化,并分析樣品的密度、氧含量差異。確定了α相到β相的相轉(zhuǎn)變溫度,為后續(xù)熱處理工藝提供理論基礎(chǔ)。采用不同壓制壓力得到不同密度的生坯,得出了試樣條件下優(yōu)化的壓制壓力為700 MPa。燒結(jié)和熱處理都是在高溫下進(jìn)行,會導(dǎo)致樣品的氧含量增加。其次,對不同工藝制備樣品的顯微組織進(jìn)行了分析。由顯微組織分析結(jié)果可知,燒結(jié)態(tài)合金由基體β相和針狀α相組成,并且α相從β相的晶界開始析出并向晶內(nèi)擴(kuò)散,而且隨著燒結(jié)溫度的增加,α相的分布也變得更加均勻。熱等靜壓處理的樣品也是由β相和α相組成,但是α相含量增加。淬火樣品的顯微組織主要是β相,這是由于淬火時(shí)冷速較快,高溫β相來不及轉(zhuǎn)變成α相。然后,對不同工藝制備樣品的力學(xué)性能進(jìn)行了分析。納米壓痕試驗(yàn)結(jié)果可知,α相的彈性模量和硬度均高于β相。結(jié)合顯微組織分析,燒結(jié)態(tài)和熱等靜壓處理樣品的斷裂延伸率明顯低于淬火樣品,這是由于大量α相的存在導(dǎo)致樣品脆化,盡管強(qiáng)度較高但犧牲了合金的塑性,也增加了彈性模量。得出試驗(yàn)條件下最優(yōu)樣品的燒結(jié)溫度1400℃,淬火溫度980℃,其彈性模量57.2 GPa,斷裂應(yīng)變率19.33%,極限拉伸強(qiáng)度725 MPa。最后,對最優(yōu)工藝參數(shù)樣品的變形機(jī)理進(jìn)行了表征,采用AFM、SEM、TEM對拉伸試驗(yàn)前和拉伸試驗(yàn)之后樣品的表面形貌、顯微組織、元素分布、物相等進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在拉伸過程中發(fā)生的馬氏體相變是導(dǎo)致樣品盡管制造工藝簡單但是彈性模量低、塑性好的原因,尤其是其在不犧牲太多強(qiáng)度的基礎(chǔ)上展現(xiàn)出來高塑性。
【圖文】：

圖 1-1 純鈦及其合金在生物醫(yī)療領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用 applications of pure titanium and titanium alloys in biom骨骼 b)牙根移植 bone b) root transpla心血管支架 d)整形外科植入 cardiovascular stents d) orthopedic i研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在這些年來紛紛開展了生物醫(yī)國[38, 39]開發(fā)用了髖關(guān)節(jié)植入體的 Ti-35Nb-7Zr-0, 41]研發(fā)了 Ti-10Cr-Al、Ti-Mn、Ti-Fe-Nb-Zr、

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文Ti15Mo2.8Nb0.2Si、Ti15Mo5Zr3Al、Ti30Ta、Ti45Nb、Ti35Zr10Nb、Ti35Nb7Zr5Ta、Ti29Nb13Ta4.6Zr (TNTZ)、Ti8Fe8Ta 和 Ti8Fe8Ta4Zr 等，這些合金的主要應(yīng)用是作為人體植入物。并且它們具有較低的彈性模量，更能與人體匹配，有利于盡量減少應(yīng)力屏蔽效應(yīng)的產(chǎn)生。另外，NiinomiM[49]總結(jié)了以前研究的一些生物醫(yī)用(α+β)鈦合金以及生物醫(yī)用 β 鈦合金的成分以及對應(yīng)的彈性模量，如圖 1-2 所示。其中，β鈦合金的彈性模量大約在 55-85GPa 之間。如表 1-2 所示，Hamidi[50]也總結(jié)了近年來生物醫(yī)用鈦合金的力學(xué)性能。其中鈦合金彈性模量(64-110 GPa)與人骨(12 21GPa)相比，還是存在較大的差異。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TF125.22;R318.08

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本文編號：2622091