粉床电子束增材制造生物医用钛合金的组织与性能研究
发布时间：2023-10-12 03:00
针对增材制造技术成形医用钛合金骨科植入物中存在的主要问题,本文首先提出通过孔结构设计和组织调控来改善医用多孔Ti-6A1-4V合金的压缩脆性,消除临床使用过程中的安全隐患;同时,以新一代的低模量医用(Ti69.71Nb23.72Zr4.83Ta1.74)100-xSix合金为研究对象,提出采用粉床电子束增材制造技术,系统开展粉末制备、成形工艺与组织性能的全增材制造工艺流程研究,从而获得低模量、高强度的医用β钛合金骨科植入物及其组织性能调控方法的整体思路,为兼具生物相容性和力学相容性的个性化骨科植入物的制备提供一种全新的方法。首次通过引入β单相区热处理解决了增材制造技术成形医用多孔Ti-6A1-4V合金脆性断裂的问题。当压缩变形量超过50%时,热处理后的样品内未发现任何的局部断裂。β单相区热处理后形成的粗大魏氏组织以及竹节状晶粒,导致母材断裂韧性大幅提高,是医用多孔Ti-6A1-4V合金压缩变形行为发生改变的主要原因。采用等离子旋转电极雾化技术,实现了SEB...
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究目的与意义
1.2 医用钛合金的研究现状
1.2.1 人体骨的结构与性能
1.2.2 钛及钛合金的结构特点
1.2.3 医用钛合金的发展历史
1.2.4 医用钛合金植入物的制备方法
1.3 增材制造技术制备医用钛合金的研究及发展现状
1.3.1 增材制造技术的基本原理及分类
1.3.2 粉末床熔融技术的基本原理及工艺特点
1.3.3 增材制造技术成形医用钛合金的组织与性能
1.4 增材制造技术制备医用多孔钛合金的研究进展
1.4.1 增材制造技术制备医用多孔钛合金的结构特点
1.4.2 增材制造医用多孔钛合金的力学性能
1.4.3 增材制造医用钛合金植入物的临床应用效果
1.5 论文主要研究思路和主要研究内容
1.5.1 主要研究思路
1.5.2 主要研究内容
第2章 实验方法
2.1 实验原料
2.1.1 Ti-6A1-4V合金粉末的基本性能
2.1.2 TNZT-xSi合金粉末的制备与基本性能
2.2 主要使用的成形设备及参数
2.2.1 Arcam A2型粉床电子束增材制造系统
2.2.2 Y150型粉床电子束增材制造系统
2.2.3 热处理设备
2.3 样品的制备与检测
2.3.1 样品表观密度
2.3.2 光学显微下的微观形貌
2.3.3 扫描电子显微镜和电子背散射衍射
2.3.4 透射电子显微镜
2.3.5 X射线衍射
2.3.6 显微硬度测试
2.3.7 室温力学性能
2.3.8 弹性模量
2.3.9 化学成分检测
第3章 组织结构对多孔Ti-6Al-4V合金力学性能及变形模式的影响
3.1 引言
3.2 点阵型多孔钛合金的孔结构设计
3.2.1 八面体点阵单元的基本性质
3.2.2 理论相对密度测算
3.3 实验过程
3.3.1 SEBM技术成形多孔Ti-6Al-4V样品
3.3.2 组织性能分析方法
3.4 结果与讨论
3.4.1 SEBM成形多孔Ti-6Al-4V合金的工艺及孔隙特征
3.4.2 热处理对多孔Ti-6Al-4V合金微观组织的影响
3.4.3 热处理对多孔Ti-6Al-4V合金力学性能的影响
3.4.4 热处理对多孔Ti-6Al-4V合金变形模式的影响
3.4.5 组织结构对多孔Ti-6Al-4V合金压缩变形行为影响机制的讨论
3.5 本章小结
第4章 SEBM技术成形TNZT-xSi合金的工艺、组织与力学性能研究
4.1 引言
4.2 实验过程
4.2.1 SEBM成形TNZT-xSi合金样品
4.2.2 微观组织与性能表征
4.3 实验结果
4.3.1 SEBM技术成形医用TNZT-xSi合金工艺窗口的确定
4.3.2 SEBM技术成形医用TNZT-xSi合金的物相组成
4.3.3 SEBM技术成形医用TNZT-xSi合金的微观组织
4.3.4 SEBM技术成形医用TNZT-xSi合金的力学性能
4.3.5 热处理对TNZTS-5Si合金组织与性能的影响
4.4 结果讨论
4.4.1 制备方法对TNZT-xSi合金微观组织的影响
4.4.2 TNZT-xSi合金微观组织演变规律的讨论
4.4.3 TNZT-xSi合金强化机制的探讨
4.4.4 S2相特征对TNZT-5Si合金弹性模量的影响
4.5 本章小结
第5章 TNZTS-xSi合金在人体模拟体液中的耐腐蚀及摩擦磨损性能研究
5.1 引言
5.2 实验过程
5.2.1 测试样品的制备
5.2.2 电化学测试仪器与方法
5.2.3 电化学腐蚀后合金表面氧化膜的组成分析
5.2.4 摩擦磨损性能的测试
5.3 SEBM技术成形医用钛合金在SBF溶液中的耐腐蚀性能
5.3.1 开路电位
5.3.2 电化学阻抗谱
5.3.3 动电位极化曲线
5.3.4 电化学腐蚀后的形貌分析
5.4 电化学腐蚀后钛合金表面钝化膜组成分析
5.5 SEBM技术成形医用钛合金的摩擦磨损性能
5.5.1 SEBM技术成形医用钛合金的摩擦磨损性能
5.5.2 SEBM技术成形医用钛合金的摩擦磨损机制
5.6 本章小结
第6章 医用多孔TNZT-xSi合金的制备与性能研究
6.1 引言
6.2 实验过程
6.2.1 多孔TNZT-xSi合金样品的制备
6.2.2 组织性能分析方法
6.3 医用多孔TNZT-xSi合金的制备与性能
6.3.1 医用多孔TNZT-xSi合金的工艺及孔隙特征
6.3.2 SEBM技术成形医用多孔TNZT-xSi合金的微观组织
6.3.3 SEBM技术成形医用多孔TNZT-xSi合金的力学性能
6.3.4 多孔TNZT-xSi合金的压缩变形行为研究
6.3.5 合金材质对点阵型多孔材料力学性能影响的探讨
6.4 组织结构对多孔TNZT-xSi合金性能的影响
6.4.1 热处理对多孔钛合金微观组织的影响
6.4.2 热处理对多孔TNZT-xSi合金表面粗糙度的影响
6.4.3 热处理对多孔医用TNZT-xSi合金力学性能的影响
6.4.4 微观组织对多孔TNZT-xSi合金压缩变形行为影响的探讨
6.5 本章小结
第7章 结论
参考文献
作者简介及在学期间所取得的科研成果
致谢
本文编号：3853318
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究目的与意义
1.2 医用钛合金的研究现状
1.2.1 人体骨的结构与性能
1.2.2 钛及钛合金的结构特点
1.2.3 医用钛合金的发展历史
1.2.4 医用钛合金植入物的制备方法
1.3 增材制造技术制备医用钛合金的研究及发展现状
1.3.1 增材制造技术的基本原理及分类
1.3.2 粉末床熔融技术的基本原理及工艺特点
1.3.3 增材制造技术成形医用钛合金的组织与性能
1.4 增材制造技术制备医用多孔钛合金的研究进展
1.4.1 增材制造技术制备医用多孔钛合金的结构特点
1.4.2 增材制造医用多孔钛合金的力学性能
1.4.3 增材制造医用钛合金植入物的临床应用效果
1.5 论文主要研究思路和主要研究内容
1.5.1 主要研究思路
1.5.2 主要研究内容
第2章 实验方法
2.1 实验原料
2.1.1 Ti-6A1-4V合金粉末的基本性能
2.1.2 TNZT-xSi合金粉末的制备与基本性能
2.2 主要使用的成形设备及参数
2.2.1 Arcam A2型粉床电子束增材制造系统
2.2.2 Y150型粉床电子束增材制造系统
2.2.3 热处理设备
2.3 样品的制备与检测
2.3.1 样品表观密度
2.3.2 光学显微下的微观形貌
2.3.3 扫描电子显微镜和电子背散射衍射
2.3.4 透射电子显微镜
2.3.5 X射线衍射
2.3.6 显微硬度测试
2.3.7 室温力学性能
2.3.8 弹性模量
2.3.9 化学成分检测
第3章 组织结构对多孔Ti-6Al-4V合金力学性能及变形模式的影响
3.1 引言
3.2 点阵型多孔钛合金的孔结构设计
3.2.1 八面体点阵单元的基本性质
3.2.2 理论相对密度测算
3.3 实验过程
3.3.1 SEBM技术成形多孔Ti-6Al-4V样品
3.3.2 组织性能分析方法
3.4 结果与讨论
3.4.1 SEBM成形多孔Ti-6Al-4V合金的工艺及孔隙特征
3.4.2 热处理对多孔Ti-6Al-4V合金微观组织的影响
3.4.3 热处理对多孔Ti-6Al-4V合金力学性能的影响
3.4.4 热处理对多孔Ti-6Al-4V合金变形模式的影响
3.4.5 组织结构对多孔Ti-6Al-4V合金压缩变形行为影响机制的讨论
3.5 本章小结
第4章 SEBM技术成形TNZT-xSi合金的工艺、组织与力学性能研究
4.1 引言
4.2 实验过程
4.2.1 SEBM成形TNZT-xSi合金样品
4.2.2 微观组织与性能表征
4.3 实验结果
4.3.1 SEBM技术成形医用TNZT-xSi合金工艺窗口的确定
4.3.2 SEBM技术成形医用TNZT-xSi合金的物相组成
4.3.3 SEBM技术成形医用TNZT-xSi合金的微观组织
4.3.4 SEBM技术成形医用TNZT-xSi合金的力学性能
4.3.5 热处理对TNZTS-5Si合金组织与性能的影响
4.4 结果讨论
4.4.1 制备方法对TNZT-xSi合金微观组织的影响
4.4.2 TNZT-xSi合金微观组织演变规律的讨论
4.4.3 TNZT-xSi合金强化机制的探讨
4.4.4 S2相特征对TNZT-5Si合金弹性模量的影响
4.5 本章小结
第5章 TNZTS-xSi合金在人体模拟体液中的耐腐蚀及摩擦磨损性能研究
5.1 引言
5.2 实验过程
5.2.1 测试样品的制备
5.2.2 电化学测试仪器与方法
5.2.3 电化学腐蚀后合金表面氧化膜的组成分析
5.2.4 摩擦磨损性能的测试
5.3 SEBM技术成形医用钛合金在SBF溶液中的耐腐蚀性能
5.3.1 开路电位
5.3.2 电化学阻抗谱
5.3.3 动电位极化曲线
5.3.4 电化学腐蚀后的形貌分析
5.4 电化学腐蚀后钛合金表面钝化膜组成分析
5.5 SEBM技术成形医用钛合金的摩擦磨损性能
5.5.1 SEBM技术成形医用钛合金的摩擦磨损性能
5.5.2 SEBM技术成形医用钛合金的摩擦磨损机制
5.6 本章小结
第6章 医用多孔TNZT-xSi合金的制备与性能研究
6.1 引言
6.2 实验过程
6.2.1 多孔TNZT-xSi合金样品的制备
6.2.2 组织性能分析方法
6.3 医用多孔TNZT-xSi合金的制备与性能
6.3.1 医用多孔TNZT-xSi合金的工艺及孔隙特征
6.3.2 SEBM技术成形医用多孔TNZT-xSi合金的微观组织
6.3.3 SEBM技术成形医用多孔TNZT-xSi合金的力学性能
6.3.4 多孔TNZT-xSi合金的压缩变形行为研究
6.3.5 合金材质对点阵型多孔材料力学性能影响的探讨
6.4 组织结构对多孔TNZT-xSi合金性能的影响
6.4.1 热处理对多孔钛合金微观组织的影响
6.4.2 热处理对多孔TNZT-xSi合金表面粗糙度的影响
6.4.3 热处理对多孔医用TNZT-xSi合金力学性能的影响
6.4.4 微观组织对多孔TNZT-xSi合金压缩变形行为影响的探讨
6.5 本章小结
第7章 结论
参考文献
作者简介及在学期间所取得的科研成果
致谢
本文编号：3853318
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