高熵合金(High Entropy Alloys,HEAs)自2004年正式提出后,因其高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨、高耐蝕等特點(diǎn)被譽(yù)為近年來(lái)最具潛力的新材料之一。經(jīng)過(guò)短短十幾年的發(fā)展,高熵合金的設(shè)計(jì)不再局限于五元及五元以上、等摩爾原子比,并向著低主元、非等原子比拓展。將其優(yōu)良的性能引入生物醫(yī)用金屬材料,這為本研究提供了價(jià)值思路。本文在生物醫(yī)用鈦合金基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)三等原子比高熵合金TiZrNb、Fe元素添加高熵合金TiZrNbFe_x(x,0.1~0.5)、非等原子比高熵合金Ti_xZr_yNb_zFe_((100-x-y-z)),旨在獲得高強(qiáng)度、低彈性模量的生物安全植入金屬材料。本文借助高熵合金固溶體判據(jù)公式,利用真空電弧熔煉爐將每系列合金熔至均勻,通過(guò)X射線衍射(XRD)光學(xué)顯微鏡(OM)、電子顯微鏡及能譜(SEM+EDS)、力學(xué)實(shí)驗(yàn)(室溫壓縮、硬度、拉伸實(shí)驗(yàn))、電化學(xué)實(shí)驗(yàn),分別對(duì)合金的物相組成、力學(xué)實(shí)驗(yàn)以及生物耐蝕性進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)表明,合金TiZrNb的晶體結(jié)構(gòu)由大量bcc1與少量bcc2相構(gòu)成,這表明bcc相具有良好的室溫穩(wěn)定性。將Fe元素逐量加入TiZrNb體系后,合金TiZrNbFe_x的晶體結(jié)構(gòu)由雙bcc1+bcc2相轉(zhuǎn)變?yōu)閱蝏cc相,當(dāng)x0.3時(shí),合金中出現(xiàn)Fe_2Ti、Fe_2Zr、Fe_2Nb金屬間相及單質(zhì)相。而對(duì)于合金Ti_xZr_yNb_zFe_((100-x-y-z)),雖然合金的熱力學(xué)參數(shù)符合固溶體判據(jù),但顯微組織中除簡(jiǎn)單的bcc相外,部分合金中還出現(xiàn)了上述金屬間相與未知相。甚至由于晶格常數(shù)的減小及晶體取向的偏轉(zhuǎn),bcc的最強(qiáng)峰還發(fā)生了變化。根據(jù)實(shí)際合金中的物相,當(dāng)δ5.6,Δx1.5,ΔH_(mix)-0.6時(shí),該Ti系合金易于形成固溶體。對(duì)于力學(xué)實(shí)驗(yàn),TiZrNb合金的壓縮塑性超過(guò)80%,拉伸屈服強(qiáng)度在910MPa左右,拉伸塑性超過(guò)16.5%,硬度值為231HV。隨著Fe元素的添加,TiZrNbFe_x合金的塑性逐漸降低,而壓縮屈服強(qiáng)度增加,斷裂強(qiáng)度最高達(dá)到1820 MPa,硬度則從340 HV增加到425 HV。而對(duì)于Ti_xZr_yNb_zFe_((100-x-y-z))系列合金,除Ti_(50)Zr_(30)0Nb_(15)5Fe_5合金外,隨著混合熵的減小,合金的屈服強(qiáng)度由1100MPa降至900MPa,壓縮塑性由10%增至30%,硬度則在380HV~300HV范圍內(nèi)變化。特別地,上述三種系列合金都具有超低彈性模量,且在人體骨彈性模量(10-30 GPa)范圍之內(nèi)。電化學(xué)測(cè)試表明,TiZrNb合金的耐蝕性好于TC4(Ti6Al4V),TiZrNbFe_x體系中大部分合金的腐蝕電流密度小于TC4。而隨著熵值的增加,Ti _x Zr_yNb_zFe_((100-x-y-z))的腐蝕電流密度逐漸增加,大部分合金的耐蝕性差于TC4合金。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TG139;R318.08
【部分圖文】：

鈦系生物醫(yī)用高熵合金的顯微組織與性能研究 骨修 復(fù)[ 2 2 ]。 但 是 植 入材 料 的 無(wú) 菌 處 理 一直 是 制 約 諸 如植 入器 械 進(jìn)入臨 床的 最后 一 道防線 ，所 以直 到 19 世 紀(jì) ter 在無(wú) 菌 技術(shù)領(lǐng) 域的 突破 ， 植入金 屬材 料開(kāi) 始 進(jìn)入臨 床 著 生 物 醫(yī) 用 金 屬 植 入 材 料 的 不 斷 研 發(fā) ， 針 對(duì) 頭 蓋 骨 、 、 肋 骨、 髖 關(guān)節(jié) 到 腿 骨 （ 圖 1.1）， 多 樣 化 的 可 替換 或 已 經(jīng) 用 于 臨 床 。 且 隨 著 對(duì) 人 們 對(duì) 金 屬 植 入 材 料 的 大 量 與 人 體 更 相 容 的 材 料 已 成 為 各 大 科 研 機(jī) 構(gòu) 以 及 醫(yī) 療 器

鈦系生物醫(yī)用高熵合金的顯微組織與性能研究 = = 爾 茲曼 函 數(shù)， W 為混 亂度 ， R 為氣 體常數(shù) ， N 為等摩 爾種 觀點(diǎn) ，認(rèn) 為 高熵合 金必 須得 到 單相固 溶體 （如 圖 1.2）子 的隨 機(jī) 排列達(dá) 到無(wú) 序結(jié) 構(gòu) ，各 個(gè)原 子的 數(shù)目 必須一 致或

圖 1.2 高 熵 合 金 的 晶 體 模 型 ：（ a） 體 心 立 方 （ b） 面 心 立 方 （ c） 密 排 六 方高熵合 金的 特征 ：（ 1） 熱 力 學(xué) 上 的 高 熵 效 應(yīng) ： 高 熵 效 應(yīng) 即 S≥1.5R， 此 時(shí) 合 金 更 傾 向形成簡(jiǎn) 單固 溶 體 FCC、BCC 或 HCP 相 固溶體。這與 傳統(tǒng) 的合金 化概 念同，隨 著更多 的主 元素的 添加，合金 并沒(méi)有 依照 吉布 斯 相率原 理（ P=C+形成最 多相 以及 中 間相， 這表 明高 混 合熵使 組元 間的 相 容性增 大。（2）動(dòng)力 學(xué)上 的擴(kuò) 散遲緩 效應(yīng) ：擴(kuò)散 遲緩效 應(yīng)是 由于 合 金中不 同原之 間 相 互 作 用 及 晶 格 畸 變 造 成 的 ， 原 子 通 過(guò) 空 位 機(jī) 制 擴(kuò) 散 過(guò) 程 中 ， 由不同原 子的 熔點(diǎn) 和 鍵強(qiáng)不 同 ，活 動(dòng)力 較強(qiáng)的 原子 更容 易 擴(kuò)散到 空缺 位若 填 補(bǔ) 空 位 后 能 量 降 低 ， 則 原 子 難 以 擴(kuò) 散 ， 若 能 量 升 高 ， 則 難 以 翻 越壘，從而 造成 擴(kuò)散 速率與 相變 速率 的 降低[ 5 8 ]。圖 1.3(a) 是不同 合金 中子 擴(kuò) 散 系 數(shù) 的 比 較 ， 從 圖 可 知 原 子 擴(kuò) 散 系 數(shù) 的 大 小 依 次 為 ： 低 熵 合 金中熵合 金＞ 高熵 合 金[ 5 9 ]。

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