發(fā)布時(shí)間：2020-07-05 14:02

【摘要】：臨床上廣泛應(yīng)用于骨科和齒科的Ti6A14V合金雖然具有良好的綜合性能,但表現(xiàn)為生物惰性,無(wú)法預(yù)防和解決由于植入物引發(fā)的感染問(wèn)題。感染一旦發(fā)生,會(huì)給病人帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和極大的痛苦,已成為臨床上亟待解決的重要問(wèn)題。近年來(lái)的研究表明,在金屬材料中添加Cu元素能賦予材料抗菌性能以及多種生物功能,含Cu抗菌金屬材料作為新型生物醫(yī)用材料的應(yīng)用前景非常廣闊。因此,本文在Ti6A14V合金成分的基礎(chǔ)上添加適量Cu元素,制備出Ti6A14V-xCu含銅鈦合金,通過(guò)熱模擬、熱處理工藝優(yōu)化和Cu含量調(diào)控等研究,期望獲得綜合性能最佳的含銅抗菌鈦合金。本文設(shè)置了三種Cu含量(4.5,6,7.5 wt.%)的Ti6A14V-xCu合金,首先通過(guò)Gleeble熱壓縮模擬,計(jì)算出合金熱加工的本構(gòu)方程,再結(jié)合熱加工圖和組織形貌觀察,獲得最佳的熱加工工藝。其次,通過(guò)對(duì)熱處理溫度和冷卻速率的調(diào)控,優(yōu)化出Ti6A14V-4.5Cu合金的最佳熱處理工藝,并研究了相關(guān)的抗菌機(jī)制。此外,進(jìn)一步對(duì)三種Cu含量(4.5,6,7.5 wt.%)的Ti6A14V-xCu合金在更小的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理工藝優(yōu)化,獲得了最佳的Cu含量范圍。最后,通過(guò)以上研究,在最優(yōu)熱加工工藝和熱處理工藝條件下制備出Ti6A14V-5.5Cu合金,并采用一系列實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證其各方面性能是否滿足使用要求。本文主要結(jié)論如下:(一)通過(guò)Gleeble熱壓縮模擬,得到Ti6A14V-xCu(x=4.5,6,7.5 wt.%)合金的熱變形本構(gòu)方程分別為:Z=εexp(421206.8/RT)=1.19×1016[sinh(0.0098σ)]3.12Z=εexp(422834.4/RT)=2.79×1016[sinh(0.0098σ)]3.02Z=εexp(3 50379.1/RT)=1.95 ×1013[sinh(0.0104σ)]296由三組合金的熱加工圖可知,Ti6A14V-4.5Cu和Ti6A14V-6Cu合金的熱加工穩(wěn)定區(qū)間比Ti6Al4V-7.5Cu合金更大,表明其熱變形性能較好。結(jié)合熱加工圖及組織形貌觀察得知,若想得到性能較好的等軸組織,合金最佳的變形參數(shù)為:Ti6Al4V-4.5Cu 合金在 750 ℃/0.001～0.01 s-1或 800 ℃/0.001 s-1 條件下變形;Ti6Al4V-6Cu合金在750 ℃/0.001～0.01 s-1或800℃/0.1 s-1下變形;Ti6A14V-7.5Cu合金在750℃/0.001 s-1或800℃/0.1 s-1下變形。此外,在單相區(qū)變形時(shí),若想得到三種合金再結(jié)晶程度較高的組織,最佳變形參數(shù)為:Ti6A14V-4.5Cu合金:950℃/0.1s-1、1000 ℃/0.1 s-1;Ti6A14V-6Cu合金:950 ℃/0.01s-1、1000 ℃/0.1 s-1;Ti6A14V-7.5Cu合金:900℃/0.01 s-1、950℃/0.001s-1、1000℃/0.01 s-1。綜上可知,Ti6A14V-xCu合金的熱變形需要在較低的應(yīng)變速率下進(jìn)行,且對(duì)成分較為敏感,隨Cu含量增加,應(yīng)適當(dāng)減小應(yīng)變速率。(二)對(duì)于Ti6Al4V-4.5Cu合金,最佳熱處理工藝為740 ℃下退火1 h后空冷,得到的樣品具有較好的力學(xué)性能、耐蝕性能和抗菌性能。此外,等軸組織和板條組織的抗菌性能差異較大的原因在于,等軸組織中較大尺寸的Ti2Cu顆粒和塊狀β相具有比板條組織中較細(xì)的條狀β/Ti2Cu相更好的抗菌性能。(三)對(duì)于Ti6Al4V-xCu(x=4.5,6,7.5 wt.%)合金,通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試得到最佳的熱處理工藝分別為720℃、740 ℃和760 ℃下保溫1 h后空冷,并對(duì)該三組最佳熱處理工藝下的樣品進(jìn)行Cu含量?jī)?yōu)化,從而得到合金中Cu元素的添加量不應(yīng)高于6 wt.%。(四)根據(jù)以上研究結(jié)果,制備出成分為Ti6A14V-5.5Cu的含銅鈦合金。對(duì)該合金的綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)后可知,其疲勞強(qiáng)度比Ti6Al4V合金提高了 13%,硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度,和延伸率分別提高了21%、11.6%、11.4%、6.3%,耐均勻腐蝕能力也與Ti6A14V合金相當(dāng)。同時(shí),Ti6Al4V-5.5Cu合金的抗菌率達(dá)到99%,并且無(wú)細(xì)胞毒性。綜上所述,Ti6A14V-Cu含銅鈦合金經(jīng)過(guò)熱加工工藝、熱處理工藝和成分優(yōu)化后,具有優(yōu)異的拉伸力學(xué)性能、耐磨性能、疲勞性能、耐蝕性能和抗菌性能等綜合性能,并且無(wú)細(xì)胞毒性,作為一種新型的生物醫(yī)用金屬材料具有廣闊的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TG146.23;R318.08
【圖文】：

圖１．３二元Ｐ同晶合金系亞穩(wěn)相圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ邋ｐｈａｓｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｂｉｎａｒ＞邋ｐ－ｉ￥ｏｍｏｒｐｈｏｕｓ邋ａｌｌｏｙ邋ｓｙｓｔｅ在Ｐ相內(nèi)的析出過(guò)程經(jīng)過(guò)形核和長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程。而形核位置、率與冷卻速度及合金的成分有關(guān)。在足夠慢的冷卻速率下，過(guò)ａ相優(yōu)先在晶界形核，并在晶界處形成網(wǎng)絡(luò)狀ａ晶界，同時(shí)，內(nèi)生長(zhǎng)，形成平行的具有相同的位向關(guān)系的ａ條狀組織。若在速率下，過(guò)冷度稍大，則在Ｐ相晶粒內(nèi)部也會(huì)出現(xiàn)ａ相形核，組織，若在極慢的冷卻速率下，ａ相在晶界處形核后則會(huì)向晶內(nèi)成貫穿整個(gè)晶粒的ａ條狀組織。逡逑合金在ａ＋Ｐ兩相區(qū)保溫后以較慢的速率冷卻時(shí)，合金的組織中留少量的初生ａ顆粒，冷卻過(guò)程中，有可能使得ａ相在初生ａ顆得初生ａ顆粒長(zhǎng)大粗化，ａ相也有可能在初生ａ顆粒周圍形核生長(zhǎng)，形成ａ相片叢組織。ａ片叢組織的大小受多種因素影響，一度越高，保溫的時(shí)間越長(zhǎng)，或冷卻時(shí)的速率越慢，則形成的ａ同時(shí)，若合金中的｜３穩(wěn)定元素含量越多，則使得Ｐ轉(zhuǎn)變點(diǎn)越低，

鈦合金具有優(yōu)異的綜合性能，在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，特別是骨科和口腔科得逡逑到了廣泛的應(yīng)用，目前有骨釘、骨針、接骨板、人工關(guān)節(jié)、牙托、牙矯形絲、牙逡逑種植體等生物醫(yī)用鈦合金產(chǎn)品，部分產(chǎn)品見(jiàn)圖１．２。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，生活逡逑水平的不斷提高，醫(yī)用鈦合金的發(fā)展具有極大的潛力，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，產(chǎn)生逡逑的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益越來(lái)越顯著［３２，３３］。逡逑１０逡逑

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本文編號(hào)：2742700