提高Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金铸造性能的研究

【摘要】： 钛以其优良的物理、化学及生物学性能,作为生物材料广泛应用于口腔医学领域,目前已经发展到第三代产品。其研究方向是开发生物相容性更好、弹性模量更低、综合性能更优,并不含有铝和钒等潜在毒性元素的新型钛合金。β型钛合金因其较低的弹性模量和优良的合金性能而备受关注,成为近年来国内外研究的热点。Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(wt%,简称TNZS)合金是我国自主开发的低弹性模量新型β型钛合金,属于第三代钛合金,由中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室研制开发,具有自主知识产权。该合金在保持新型钛合金优良机械性能的同时,还具备了更低的弹性模量,最低达33GPa,更加接近了人体骨(10-30GPa)与牙本质(12-18.6GPa)的弹性模量,是一种极具应用前景的口腔修复及牙科种植体用钛合金。前期的研究结果表明:该合金具有良好的机械性能和生物学性能,可以满足口腔材料的要求,是制作卡环、冠桥、桩核和种植体的理想材料。但是,在临床常规钛合金铸造条件下,存在铸流率偏低,铸件多气孔等问题,限制了该合金在临床应用中的推广。 本研究通过实验手段,探讨不同包埋料和铸道参数对Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金铸件质量的影响规律,从而筛选出适合于该合金铸造的包埋料和铸道参数,以提高Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金的铸流率,并进一步采用优选出的最佳包埋料和铸道参数包埋铸造Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金棒状试件和铸造全冠,分别对棒状试件的表面反应层和铸造全冠的边缘适合性进行研究,初步评价该合金铸造系统的铸造精度,为其进一步接近临床应用提供实验基础。 研究目的: 探讨不同包埋料和铸道参数对Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金铸件质量的影响规律,从而筛选出适合于该合金铸造的包埋料和铸道参数,以提高合金的铸流率,并通过测定棒状铸件表面反应层和铸造全冠边缘适合性,对合金的铸造精度进行初步评价。 研究方法: 1.采用网状试样法,计算Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金在三种包埋料、三种铸道直径和三种铸道长度条件下的铸流率,做析因设计的统计学分析,优选最佳包埋料和铸道参数。 2.在优选出的最佳铸造条件下包埋铸造,制备Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金棒状试件,肉眼观察表面性状和粘砂情况;扫描电镜观察表面反应层形貌,同时能谱分析仪对试样表面反应层进行元素成分分析;金相显微镜下观察表面反应层结构;显微硬度仪测定表面反应层显微硬度。 3.机械加工后牙铝合金标准冠代型,在优选出的最佳铸造条件下制作Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金铸造全冠,扫描电镜观测铸造全冠的边缘浮出量,评价其边缘适合性。 研究结果: 1.通过改进包埋料和铸道参数,可以提高Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金在室温铸造时的铸流率;氧化镁系包埋料组铸件铸流率最佳;各组试件的铸流率随铸道直径的增加而增加,随铸道长度的增加而减少;尚不能认为三个因素两两之间及三个因素总体相互之间存在交互作用。结果显示选用氧化镁系包埋料,铸道直径5mm,长度5mm时,铸件铸流率最高,达94.90±4.67%,提示Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金在包埋铸造时应使用氧化镁系包埋料,采用粗而短的铸道。 2.氧化镁系包埋料与Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金的界面反应轻,表面反应层薄,扫描电镜下观察,反应层分层不明显,仅可见氧化层和Al元素渗入层两层结构,反应层厚约20μm左右,可以满足临床使用要求。 3.用氧化镁系包埋料包埋铸造的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金铸造全冠试样边缘浮出量为70.22±13.36μm,适合性良好,可以达到临床可接受的范围之内。