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《天津大学》 2010年
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新型医用钛合金的制备、热机械加工工艺及表面生物活化研究

周宇  
【摘要】:本文主要对新型医用Ti-25Nb-2Zr(at%下同)钛合金的制备,热机械加工工艺及表面生物活性进行了研究。通过DSC、金相组织、XRD、拉伸试验,显微硬度及形状记忆效应及超弹性测试对微量锆元素对Ti-25Nb合金的相变、显微组织,力学性能及形状记忆效应等性能的影响进行了考察。同时进一步研究了热处理及冷加工工艺对Ti-25Nb-2Zr合金显微组织及力学性能的影响。此外,采用普通氧化法对Ti-25Nb-2Zr合金的表面进行改性,借助SEM、EDS、XRD、XPS及FTIR对改性后的合金表面及随后经过仿生生长的合金表面进行表征。通过实验研究及理论分析,主要得出以下结论: 在Ti-25Nb合金中添加微量锆元素对于降低合金的相变点,抑制相析出及细化晶粒有一定的作用:合金中每增加1at%的锆元素,合金相变点约降低10K。合金的强度随锆含量的变化呈现先增加后减小的趋势;合金的弹性模量及显微硬度随锆含量的变化趋势则与抗拉强度相反,呈现先降低后升高的趋势。合金在锆含量为3at%时获得最高770MPa的抗拉强度,在锆含量为2at%时合金具有最低62GPa的弹性模量。锆元素的添加对合金的马氏体相变温度有影响:锆含量为2at%左右的合金在室温变形能生成马氏体,故其形状记忆效应较明显。 Ti-25Nb-2Zr合金在β相变点以上固溶处理,空冷后保留等轴全β相组织,合金具有较低的强度和优异的塑性。随着固溶温度的增加,合金晶粒显著粗化,导致合金的强度及塑韧性下降。合金在350℃进行时效处理,在基体中析出硬脆相ω相;在450℃左右时效,在基体中析出相。合金在经过冷加工后,发生了应力诱发马氏体相变。由于马氏体相变和加工硬化的共同作用,导致合金的强度在冷形变量较小时增加不显著。 Ti-25Nb-2Zr合金在空气中氧化,在300℃~600℃的温度区间内,表面氧化物将从亚稳态氧化钛先转变为锐钛矿,最终转变为金红石。合金经空气中500℃2h氧化后,SEM及AFM观察显示合金表面粗糙度明显增加。经空气中500℃2h氧化后的合金试样置于钙磷溶液中进行浸泡,并成功的在合金表面制备了钙磷层。XRD分析显示所得的钙磷层的主要成分为羟基磷灰石。XPS及FTIR分析表明钙磷层中含有CO32-离子。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG146.23

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