高压扭转超细晶纯钛腐蚀行为研究

摘要

在过去的十年里，材料科学领域中，纳米材料成为了最热门的方向之一，同时也展现出了其作为功能材料使用极好的发展前景。例如，由具有纳米级别尺寸的纯钛替代了由Ti-4Al-6V合金制成的小直径牙科植体，纳米钛不仅增加了其机械强度和疲劳寿命，同时还表现出了良好的生物相容性，这使得超细晶材料在应用层面得到了广泛的认可。因此，超细晶材料在微成形技术领域上的普及应用将成为微制造方向发展的主要目标之一。纯钛拥有优秀的生物相容性及耐腐蚀性能，是最优潜力的医用金素材料。但由于耐磨性差和强度较低导致其作为生物植入体受到了限制，而超细晶制备工艺所对应的组织细化效果可以有效地提高纯钛的力学性能从而打破该方面的限制。本课题选用先进的高压扭转技术（HPT）制备超细晶纯钛，通过开路电位、极化曲线和交流阻抗谱等电化学测量方法，结合透射电镜进行显微组织观察（TEM）以及扫描电镜进行表面形貌分析（SEM），研究了HPT变形工艺制备的超细晶纯钛在硫酸溶液和模拟体液两种环境中的腐蚀行为。
　　本文对工业纯钛进行了不同转数的高压扭转实验，研究了不同变形程度制备超细晶工业纯钛的显微组织变化规律和晶粒尺寸的变化规律。结果表明：高压扭转变形工艺处理0.25t时，待加工试样晶粒因受到剪切应力而出现扭转变形进而导致晶粒内部出现大量孪晶和位错，此时晶粒尺寸仍然较大。1t时，晶粒尺寸未明显减小，显微组织由滑移带和位错缠结、位错胞等位错亚结构组成；5t时，晶粒细化到0.3μm左右，微观组织由细小的位错胞状和亚微米级晶粒组成。10t时，晶粒发生明显细化，平均晶粒尺寸在150nm左右，晶粒已经明显细化，组织均匀性较好。同时随着扭转圈数增加，超细晶纯钛的显微硬度随之提高，5t和10t试样的显微硬度已超过Ti-4Al-6V合金。
　　研究了不同退火处理超细晶纯钛的显微组织，实验结果表明：200℃退火时超细晶纯钛位错数量减少但晶界仍然处于非平衡态；400℃退火时不平衡的组织出现回复现象但晶粒尺寸相差较大，且没有再结晶形核阶段；此时内部的位错缠结区所占比例很大；600℃退火时出现再结晶，位错密度逐渐降低，晶粒内的内应力也逐渐降低；微观组织主要以等大、均匀且细小的等轴亚微米晶粒构成。
　　HPT变形工艺制备的超细晶纯钛在硫酸溶液的研究表明，抗腐蚀性能均低于原始粗晶钛；但随着扭转圈数的增加，抗腐蚀性能得到了回升。0.25t制备的超细晶试样抗腐蚀性能最差，10t制备的超细晶试样抗腐蚀性能最好。不同退火温度处理的超细晶纯钛，随着退火温度的升高，抗腐蚀性能随之提升；600℃退火保温0.5小时处理下耐蚀性最佳，腐蚀电流密度出现明显降低，表面腐蚀产物分布最为均匀，致密性也最好。原始钛和超细晶纯钛在硫酸溶液中的钝化膜成分TiO2。
　　在模拟体液的腐蚀环境中的研究结果表明，无论原始钛还是超细晶纯钛，腐蚀主要发生在晶界处但原始钛的耐蚀性最佳。不同扭转圈数处理的HPT超细晶纯钛，随着扭转圈数的增加，腐蚀电位正向移动，腐蚀电流大幅度减小，交流阻抗谱的高频容抗弧半径增大，低频相角升高，拟合的钝化膜电阻也明显增大，耐腐蚀性得到充分改善；不同退火温度处理的超细晶纯钛在模拟体液环境中，随着退火温度的升高，抗腐蚀性能随之提升；600℃退火保温0.5小时条件处理下耐蚀性最佳。

目录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 超细晶材料制备的研究现状

1.3 超细晶材料在生物植入体中的应用

1.4 超细晶/纳米晶材料抗腐蚀性能研究现状

1.5 本课题的研究内容

第2章 实验材料与实验方法

2.1 实验原始材料

2.2 高压扭转超细晶纯钛的材料制备

2.3 实验方案

第3章 超细晶纯钛的微观组织分析

3.1 引言

3.2 超细晶纯钛显微硬度分析

3.3 高压扭转不同转数超细晶纯钛显微组织分析

3.4 超细晶纯钛不同退火温度处理后的显微组织分析

3.5本章小结

第4章 超细晶纯钛在硫酸溶液中的腐蚀行为研究

4.1 引言

4.2 实验条件

4.3 超细晶纯钛在硫酸溶液中的电化学腐蚀行为

4.4 超细晶纯钛在硫酸溶液中腐蚀形貌分析

4.5 超细晶纯钛在硫酸溶液中的腐蚀产物分析

4.6 本章小结

第5章 超细晶纯钛在模拟体液中腐蚀行为研究

5.1 引言

5.2 实验方案

5.3 超细晶纯钛在模拟体液中电化学腐蚀行为

5.4 超细晶纯钛在模拟体液中腐蚀形貌分析

5.5 超细晶纯钛在模拟体液中的腐蚀产物分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢