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生物工程用新型低弹性模量钛合金材料研究

刘时兵  
【摘要】:生物钛合金材料的研究是随着人们对健康的需求以及生活质量的提高而发展起来的。它经历了纯钛、传统TC4(Ti6Al4V)合金、无铝钛合金、无钒无铝钛合金,低弹性模量钛合金等几个阶段。本论文以研究低弹性模量钛合金材料为目的,分别对钛铌合金,钛铌钽锆合金进行了研究。首先探索了铌含量对钛铌二元合金弹性模量的影响,然后运用正交法及d-电子理论对钛铌钽锆合金的成分进行了设计。利用光学显微镜,扫描电镜(SEM),X射线衍射(XRD)研究了材料在不同热处理状态下的组织结构,并进行了力学性能及弹性模量测试,并对性能较好的Ti20Nb13Ta13Zr合金作了膨胀性能测定和差热分析。在X衍射的基础上,对合金中存在的组织作了晶格常数分析。最后与中国医科大学合作,研究了材料的生物腐蚀性能。 钛铌系列二元合金在固溶状态下均具有较低的弹性模量,是TC4合金(约110GPa)的50%~70%;Ti-20Nb合金最低,约58GPa。拉伸强度较低,Rm为635±30MPa,R_(p0.2)为330~370MPa。伸长率及断面收缩率都较高,分别为19%~32%和31%~69%,塑性优异。 Ti20Nb13Ta13Zr合金是在钛铌二元合金基础上发展起来的综合力学性能较好的合金。它在固溶状态下弹性模量可达62GPa,抗拉强度可达650MPa,屈服强度达480MPa。在时效状态下,可达68GPa,力学性能Rm≥720MPa,R_(p0.2)≥620,A≥10%,Z≥20%,均达到指标要求。 钛铌及钛铌钽锆合金在固溶状态下淬火时,发生马氏体转变,显微组织主要是针状马氏体α+β_(亚稳)相,部分合金中存在针状α相。时效状态下的合金,当时效温度在300~400℃左右时,合金组织为α+β+ω相,由于硬脆相ω的析出,合金的弹性模量、拉伸强度均较高,但塑性较差;当时效温度在500℃左右时,合金组织为α+β相,在β原始晶界及晶内,α+β呈弥散析出,具有较好的综合力学性能。时效状态下合金弹性模量相对固溶态有所升高。 Ti20Nb13Ta13Zr在模拟人体体液(SBF)中浸泡90天,用扫描电镜观察,未发现明显的腐蚀痕迹,说明该合金具有良好的生物耐蚀性。


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