【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,無法預防和解決由于植入物引發(fā)的感染問題。感染一旦發(fā)生,會給病人帶來沉重的經(jīng)濟負擔和極大的痛苦,已成為臨床上亟待解決的重要問題。近年來的研究表明,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Gleeble熱壓縮模擬,計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,通過對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)的抗菌機制。此外,進一步對三種Cu含量(4.5,6,7.5 wt.%)的Ti6A14V-xCu合金在更小的溫度范圍內(nèi)進行熱處理工藝優(yōu)化,獲得了最佳的Cu含量范圍。最后,通過以上研究,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,并采用一系列實驗,驗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,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)變速率下進行,且對成分較為敏感,隨Cu含量增加,應(yīng)適當減小應(yīng)變速率。(二)對于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的條狀β/Ti2Cu相更好的抗菌性能。(三)對于Ti6Al4V-xCu(x=4.5,6,7.5 wt.%)合金,通過力學性能測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,并對該三組最佳熱處理工藝下的樣品進行Cu含量優(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。對該合金的綜合性能進行評價后可知,其疲勞強度比Ti6Al4V合金提高了 13%,硬度、屈服強度、抗拉強度,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。同時,Ti6Al4V-5.5Cu合金的抗菌率達到99%,并且無細胞毒性。綜上所述,Ti6A14V-Cu含銅鈦合金經(jīng)過熱加工工藝、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,并且無細胞毒性,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。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：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)的析出過程經(jīng)過形核和長大兩個過程。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，內(nèi)生長，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，過冷度稍大，則在Ｐ相晶粒內(nèi)部也會出現(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向晶內(nèi)成貫穿整個晶粒的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，合金的組織中留少量的初生ａ顆粒，冷卻過程中，有可能使得ａ相在初生ａ顆得初生ａ顆粒長大粗化，ａ相也有可能在初生ａ顆粒周圍形核生長，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，保溫的時間越長，或冷卻時的速率越慢，則形成的ａ同時，若合金中的｜３穩(wěn)定元素含量越多，則使得Ｐ轉(zhuǎn)變點越低，

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)品見圖１．２。隨著經(jīng)濟的不斷發(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)用越來越廣泛，產(chǎn)生逡逑的經(jīng)濟價值和社會效益越來越顯著［３２，３３］。逡逑１０逡逑

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 寧遠濤;;鈀與稀土元素的合金化行為及其尺寸效應(yīng)[J];貴金屬;1988年04期

2 樊愛民;胡大祿;康君誠;;裝飾合金的研究[J];昆明工學院學報;1988年01期

3 ;日本國內(nèi)耐熱耐蝕用鉭的消費量成倍增長[J];稀有金屬與硬質(zhì)合金;1989年04期

4 李瑞青,周國治;Ge-Si二元合金系的熱力學[J];北京科技大學學報;1989年03期

5 P.Furrer,楊小永 ,雷正平;鋁在與其它材料競爭[J];輕合金加工技術(shù);1989年08期

6 許鶴鳴;;鐵磁金屬玻璃的合金化[J];儀表材料;1989年03期

7 張陟;;捔-鋰系合金最近的開發(fā)動向[J];材料導報;1989年02期

8 李德萱;鄭建宣;;Cu-Dy-Ni(Dy≤35wt-％)三元合金系相圖的室溫截面[J];金屬學報;1989年03期

9 彭紅建;武青;李小波;謝佑卿;;BCC結(jié)構(gòu)Nb-Mo合金系的特征原子序列及無序合金的性質(zhì)(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2012年05期

10 王珍玉;楊院生;童文輝;李會強;胡壯麒;;基于成分連續(xù)變化計算黏度的合金系臨界冷速模型[J];物理學報;2007年03期

相關(guān)會議論文 前9條

1 吳一棟;惠希東;;TiZrNbMoV高熵合金的相組成與固溶強化機理[A];第十一屆中國鋼鐵年會論文集——S12.非晶合金[C];2017年

2 尹付成;蘇旭平;張平;李智;;Pr-Al合金系的熱力學模型[A];2000年材料科學與工程新進展（下）——2000年中國材料研討會論文集[C];2000年

3 張靜;潘復生;郭正曉;丁培道;汪凌云;;含鋁和含錳鎂合金系中的合金相[A];2002年材料科學與工程新進展（上）——2002年中國材料研討會論文集[C];2002年

4 張洪;郭可信;;大單胞鋁—過渡族晶體的十次準晶近似[A];第六次全國電子顯微學會議論文摘要集[C];1990年

5 張玉平;張津徐;吳建生;梅品修;;Cu-Mn-Zn系合金的色度研究[A];第十屆全國相圖學術(shù)會議論文集[C];2000年

6 ;Effect of aluminum contents on the microstructural morphologies for AlxCoCrFeNi high entropy alloys by copper mould suction casting[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

7 卜銀龍;;鐵青銅強化初探[A];第四屆金屬材料及熱處理年會論文集（下）[C];1991年

8 完衛(wèi)國;楊才福;;490MPa級建筑用耐火鋼的成分設(shè)計與篩選試驗[A];中國金屬學會第一屆青年學術(shù)年會論文集[C];2002年

9 王超;李繼紅;張敏;;X100管線鋼用埋弧焊絲的研制思路[A];陜西省焊接學術(shù)會議論文集[C];2008年

相關(guān)重要報紙文章 前2條

1 楊燕群;謝佑卿：探尋合金“類基因”序列的征程[N];科技日報;2005年

2 張艷穩(wěn) 韓宇 劉浩英;我國合金系儲氫材料專利申請狀況分析[N];中國知識產(chǎn)權(quán)報;2015年

相關(guān)博士學位論文 前10條

1 張誠;鋯、鈦及高熵合金的儲氫/氘行為研究[D];北京科技大學;2019年

2 彭聰;生物醫(yī)用抗菌Ti6Al4V-xCu合金的性能優(yōu)化研究[D];中國科學技術(shù)大學;2019年

3 張云龍;非計量比Zr基Laves相合金的微結(jié)構(gòu)及儲氫性能[D];西北工業(yè)大學;2017年

4 王蘭馨;AlFeCrCuX高熵合金力學性能的第一性原理計算[D];大連理工大學;2017年

5 夏松欽;AlCoCrFeNi系高熵合金抗輻照和抗氧化行為研究[D];北京科技大學;2018年

6 陳陳旭;高熵合金微觀變形機理[D];浙江大學;2018年

7 蒲健;共晶系合金的深過冷與塊體非晶合金晶化研究[D];華中科技大學;2004年

8 王海燕;遠離平衡條件下Fe-Si合金的結(jié)構(gòu)演化及β-FeSi_2相的形成[D];燕山大學;2005年

9 何戰(zhàn)兵;Al-Cr-（Si）合金系中準晶及其近似晶體相的結(jié)構(gòu)研究[D];大連理工大學;2005年

10 余方新;Au-Cu合金系的系統(tǒng)研究[D];中南大學;2005年

相關(guān)碩士學位論文 前10條

1 賈鈺榮;高硅Finemet和Nanomet合金的結(jié)構(gòu)及軟磁性能研究[D];天津大學;2018年

2 時杰;新型高強鋁合金組織與性能研究[D];東北大學;2015年

3 李建明;Al-Co-Cr-Fe-Ni-Cu高熵合金的研究[D];廣西民族大學;2018年

4 盧文飛;Zr-Co(-Al)合金的變形行為與強韌化機理[D];昆明理工大學;2018年

5 杜興宇;CrMnFeCoNi系高熵合金的組織及低溫性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2018年

6 陳才敏;耐蝕Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金的成分優(yōu)化及組織性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2018年

7 孫偉;Cu_x[Ni_3Cr_1]和Cu_x[Ni_3Fe_1]合金組織演變規(guī)律及其對性能的影響[D];大連理工大學;2018年

8 常曉雪;FCC結(jié)構(gòu)高熵合金的成分、組織及力學性能研究[D];大連理工大學;2018年

9 池祥;Sm-Co永磁合金結(jié)構(gòu)及磁性能的研究[D];河北工業(yè)大學;2016年

10 魏大衛(wèi);熱處理Mg-0.4/1.2Ca-xNd系骨固定用材料的降解性研究[D];東北電力大學;2018年

本文編號：2742700