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两种生物医用钛合金的纳米力学性能及腐蚀与磨损行为研究

卢盼娜  
【摘要】:随着医用器材在临床医学中的大量应用,生物材料的需求与日俱增。钛合金由于具有质轻,比强度高,无毒性,良好的抗蚀性能以及优异的生物相容性,已经成为了杰出的生物医用金属材料。然而,钛合金植入人体临床表明,钛合金的弹性模量高于人体骨骼易产生―应力屏蔽效应‖,造成骨质疏松和植入体的松动。为了保持钛合金特性且匹配人体骨骼的弹性模量,添加无毒元素Nb、Zr、Sn等制备β型钛合金是一条行之有效的途径。此外,医用钛合金在实际工作状态中,由于耐磨性能差,在植入状态下易遭受磨损的破坏,导致植入失效。这就要求不能仅考虑某单一性能的改善,还应考虑钛合金综合性能的提高。针对以上问题,本论文采用非自耗电弧熔炼炉制备了Ti-33Nb-4Sn和Ti-31Nb-3Zr-4Sn两种新型生物医用β型钛合金,并对两种β型钛合金的纳米力学性能、摩擦磨损性能、腐蚀性能进行了较为系统的研究。同时,考虑到钛合金在航空航天领域的应用,本文也对其耐高温氧化性能行了研究。研究结果如下:1、采用纳米压痕技术,对新型医用钛合金Ti-33Nb-4Sn和Ti-31Nb-3Zr-4Sn的纳米力学性能进行了研究。实验结果表明,Ti-33Nb-4Sn合金和Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金的接触刚度-位移拟合曲线呈线性关系,且Ti-33Nb-4Sn合金的拟合斜率大于Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金;Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金抵抗外加载荷的能力要优于ti-33nb-4sn合金,且卸载后ti-31nb-3zr-4sn的塑性变形较ti-33nb-4sn合金要小;ti-33nb-4sn和ti-31nb-3zr-4sn两种合金的弹性模量显著低于ti-6al-4v合金的弹性模量,ti-31nb-3zr-4sn合金弹性模量是三种合金中最低。ti-31nb-3zr-4sn合金弹性模量与人体骨骼相匹配,其硬度相对较高,抗外加载荷能力优秀,塑性形变小。2、采用往复磨损试验仪对两种合金的摩擦磨损性能及机理进行了研究。实验结果表明,ti-31nb-3zr-4sn合金表现出相对稳定的摩擦系数,ti-33nb-4sn合金的摩擦系数随着时间的增加,呈缓慢上升的趋势,ti-6al-4v合金的摩擦系数随时间上升会有比较明显的波动,但最后会趋于稳定。三种合金的平均摩擦系数从大到小依次为:ti-33nb-4snti-6al-4vti-31nb-3zr-4sn合金。三种合金在摩擦过程中,均形成了相对明显的犁沟并产生了大量的磨屑,呈现出磨粒磨损、氧化磨损和粘着磨损的磨损形式。通过比对摩擦系数以及磨痕形貌,表明ti-31nb-3zr-4sn合金的耐磨性最佳。3、采用动电位极化曲线法和阻抗谱曲线法研究了ti-33nb-4sn、ti-31nb-3zr-4sn和ti-6al-4v合金在模拟人体体液中的电化学腐蚀性能。实验结果表明,对比ti-6al-4v合金,ti-33nb-4sn和ti-31nb-3zr-4sn合金在模拟人体体液中的耐腐蚀性能均未显著降低,腐蚀性能无优劣化,并能保持稳定的钝化和大范围的钝化面积。4、对ti-33nb-4sn和ti-31nb-3zr-4sn两种合金高温抗氧化性能进行了对比和分析。实验结果表明,ti-33nb-4sn和ti-31nb-3zr-4sn两种合金分别在700℃和650℃出现金红石相的TiO2结构,并且都会在700℃左右出现新的TixNbyO相。随着温度的增加,氧化程度加剧,氧化增重增加,不断的有新的基体被氧化。随着温度的上升,氧化层与基体之间的应力超出临界值,使得界面出现裂纹,最终导致氧化膜脱落。


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