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粉床电子束增材制造生物医用钛合金的组织与性能研究

杨坤  
【摘要】: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(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))100_(-x)Si_x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SEBM技术用球形(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))100_(-x)Si_x合金粉末的制备,同时明确了SEBM技术的最佳成形工艺窗口,实现了高致密度(99.5%)医用β钛合金的制备。研究发现,SEBM技术制备的(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))100_(-x)Si_x合金微观组织完全不同于传统制备方法。沉积态时,Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74)合金的组织是由柱状β-Ti以及少量纳米级ω相组成;(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))99Si1合金的微观组织组成为β+S2+ω,纳米S2相颗粒多分布在β晶界处;(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))95Si5合金的是由胞状βi-Ti与颗粒状的S2构成,其中S2相沿晶界连续分布,其体积分数为8.38%,平均尺寸约为270nm。同时发现,硅含量的增加显著降低了(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))100_(-x)Si_x合金中β晶粒的择优取向。对于SEBM技术成形的(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))100_(-x)Si_x合金而言,硅含量的增加可以在保持合金低弹性模量的基础上,大幅提高合金强度。其中,(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))95Si5合金的强度和塑性均达到了目前应用最为广泛的Ti-6A1-4V的性能水平,且弹性模量仅为Ti-6A1-4V合金的70%,更接近人体骨的模量。Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74)和(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))99Si1合金的弹性模量分别为63.59±2.35GPa和65.93±3.18GPa,并且具有优异的塑性变形能力。同时,明确了Si元素引入产生的晶粒细化效应是(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))100_(-x)Si_x合金强度大幅提升的主要原因。内部硅化物颗粒的尺寸和分布特征对SEBM技术成形(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))95Si5合金的力学性能有着显著的影响。沉积态时,沿晶界连续分布的S2相硅化物导致(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))95Si5合金的韧性不足(压缩应变29.63%)。1100℃/2h/FC热处理后,硅化物转变为在基体内均匀、独立分布。此时,TNZT-5Si合金表现出了较低的弹性模量(81.28GPa)、较高的强度(853.94MPa)和优异的塑性变形能力(51.44%)。在37℃的SBF溶液中,SEBM技术成形的(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))100_(-x)Si_x合金均表现出了优于Ti-6A1-4V合金的耐腐蚀性能。硅含量的变化对(Ti69.71Nb23.72Zr4.8,Ta1.74)100_(-x)Si_x合金耐腐蚀性能影响较小,三种合金的耐腐蚀性能十分接近。其中,(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))95Si5合金的腐蚀倾向最小,其自腐蚀电位为-0.22V,腐蚀电流密度为1.32μA/cm2。适当Si元素的添加可以提高(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))100_(-x)Si_x合金的耐磨性,即当硅含量为1at%时,合金的耐磨性能最好,磨损率仅为2.24mm3.N-1.mm-1。在SBF溶液中与GGr15钢球配副滑动磨损时,四种医用钛合金耐磨性能的排序为:(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))_(99)Si_1(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))_(95)Si_5Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74)Ti-6Al-4V。最后,采用SEBM技术成功制备出了点阵型多孔(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))100_(-x)Si_x合金。其中,Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74)合金性能优异,其变形方式为均匀进行,压缩应变超过50%时,样品内均未发生任何的局部断裂。随着硅含量的增加,多孔(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))100_(-x)Si_x合金的强度和模量随之增加,并且达到了多孔Ti-6A1-4V合金的水平。多孔(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))_(99)Si_1和(Ti_(69.71)Nb_(23.72)Zr_(4.83)Ta_(1.74))_(95)Si_5合金内硅化物颗粒形貌与分布的改变会带来母体材料断裂韧性的提升,但由于增强相颗粒体积分数过小,导致热处理后多孔材料压缩韧性的提升十分有限。


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