生物医用低弹性模量钛合金组织与性能的研究

发布时间：2016-11-19 11:17

  本文关键词：生物工程用新型低弹性模量钛合金材料研究，由笔耕文化传播整理发布。

《大连理工大学》 2008年

生物医用低弹性模量钛合金组织与性能的研究

段洪涛  

【摘要】： 生物医用钛合金由于具有优异的力学性能和良好的耐蚀性能而被广泛用作人体骨和牙齿等硬组织的修复和替换材料。目前临床上应用的生物医用钛合金还存在许多不足之处,如弹性模量较高、含铝和钒等有毒元素等。本论文以研究低弹性模量钛合金材料为目的,选用生物相容性好的铌、锆作为添加元素,然后分别采用团簇线判据法和配比法进行合金成分设计。利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)研究了材料在不同加工工艺和不同热处理工艺下的相结构、显微组织;分别采用超声法和拉伸法测试了合金的弹性模量,重点研究了不同化学成分以及不同热处理工艺对合金弹性模量的影响,并对合金的基本力学性能进行了测试。 团簇线判据法设计的Ti_(14-x)Nb_1Zr_x(at.)系合金凝壳铸态和吸铸态下组织均是由β+α'相组成,动态弹性模量在71～76GPa之间,随着锆含量的增加,弹性模量降低。吸铸方法没有将高温液态合金中以铌为中心原子的体心立方结构保留到室温,没有得到单一β相合金。 配比法设计的Ti-xNb-7Zr(wt.%)系凝壳铸态合金固溶处理后是由基体β相、针状α”相和透镜状α'相组成,并具有较低的动态弹性模量,是Ti-6Al-4V(约110GPa)合金的60～70%,Ti-18Nb-7Zr合金最低,为67.2GPa。Ti-18Nb-7Zr合金时效后的组织由β+α相组成,时效温度在350～450℃时,组织呈层片状,并且随着温度的增加而长大;时效温度为550℃时,组织呈针状分布。随着时效温度的升高,压缩强度和弹性模量升高。 Ti-27Nb-8Zr(wt.%)合金热轧后在800℃固溶后组织由基体β相和针状α”相组成,并发生再结晶,再结晶晶粒直径约为55μm,拉伸弹性模量为72GPa,拉伸强度较低,屈服强度和抗拉强度分别为348MPa和505MPa,延伸率和断面收缩率较高,分别为58%和69%。时效处理后,β相和α”相均发生分解,时效温度在350～400℃时,合金组织由细小弥散分布的ω相和基体β相组成;时效温度为450℃时,组织由颗粒状ω相、少量针状α相和基体β相组成;当时效温度达到500℃时,组织由弥散分布的针状α相和基体β相组成。组织中存在ω相时,合金的弹性模量、拉伸强度较高,但塑性较低。500℃时效时合金有较好的综合力学性能。同时,在这一温度下时效的合金也具有较好的疲劳性能,其疲劳极限σ_(max)≥400MPa,比商业纯钛高出约2倍。

【关键词】：
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TG146.23;R318.08
【目录】：

摘要4-5

Abstract5-10

1 绪论10-25

1.1 课题研究背景10-12

1.1.1 课题的提出10-12

1.1.2 课题的意义12

1.2 生物医用金属材料简介12-16

1.2.1 生物医用金属材料的基本要求12-15

1.2.2 生物医用金属材料的发展与应用现状15-16

1.3 生物医用钛合金简介16-23

1.3.1 钛及钛合金16-18

1.3.2 钛的生物相容性及耐蚀性18-19

1.3.3 生物医用钛合金合金化元素、生物相容性及作用19-20

1.3.4 生物医用钛合金的研究进展情况20-23

1.4 本文研究目的及主要工作内容23-25

2 试验材料、方法及仪器设备25-32

2.1 合金成分设计25-26

2.1.1 团簇线判据法25-26

2.1.2 配比法26

2.2 试验方法26-31

2.2.1 合金制备26-27

2.2.2 密度测定27

2.2.3 相变点确定27-28

2.2.4 热处理工艺28-29

2.2.5 力学性能试验29-31

2.2.6 硬度测定31

2.2.7 微观组织分析31

2.3 试验仪器与设备31-32

3 团簇线判据法设计的合金组织与性能的研究32-40

3.1 化学成分与密度32-33

3.2 合金凝壳铸态组织33-35

3.3 合金吸铸态组织、硬度及弹性模量研究35-39

3.3.1 合金吸铸态组织35-36

3.3.2 合金吸铸态硬度36-37

3.3.3 合金吸铸态弹性模量37-39

3.4 本章小结39-40

4 配比法设计的合金组织与性能的研究40-55

4.1 化学成分与密度40-41

4.2 合金凝壳铸态组织41-43

4.3 合金固溶态组织、硬度及弹性模量研究43-49

4.3.1 合金相变点分析43

4.3.2 合金固溶态组织43-47

4.3.3 合金固溶态硬度47

4.3.4 合金固溶态弹性模量47-49

4.4 Ti-18Nb-7Zr合金时效态组织及性能研究49-54

4.4.1 合金时效态组织49-51

4.4.2 合金时效态性能51-54

4.5 本章小结54-55

5 Ti-27Nb-8Zr合金组织与性能的研究55-70

5.1 化学成分与密度56

5.2 合金热轧态组织56-58

5.3 合金固溶态组织及性能研究58-62

5.3.1 合金相变点分析58

5.3.2 合金固溶态组织58-60

5.3.3 合金固溶态性能60-62

5.4 合金时效态组织及性能研究62-68

5.4.1 合金时效态组织62-65

5.4.2 合金时效态性能65-68

5.5 合金疲劳性能研究68-69

5.6 本章小结69-70

结论70-72

参考文献72-76

攻读硕士学位期间发表学术论文情况76-77

致谢77-78

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