Ti-6Al-4V合金假肢关节精密铸件制备及界面反应研究

摘要

本文选择了ZrO2（CaO稳定）、碳酸锆铵和硅溶胶进行组合，设计出四种熔模铸造型壳制备方案。采用水冷铜坩埚感应熔炼炉熔炼Ti-6Al-4V合金，利用离心浇注制备出8个钛合金假肢关节精密铸件。利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪（EDS）和显微维氏硬度计对铸件-铸型界面反应所生成的富α相层进行研究。使用万能材料试验机对铸态Ti-6Al-4V合金试样的拉伸性能进行了研究。借助 ProCast铸造数值模拟软件对合金充型和凝固过程进行了数值模拟，并预测了铸件缩孔、缩松的位置。
　　铸件与铸型界面反应使铸件表层形成富α相层，富α相层可以分为反应层和硬化层。在四种方案所制备的铸件表层均存在一层厚度为100-300μm的富α相层，富α相层内的α相组织异常粗大且体积分数明显高于基体内部。通过SEM组织形貌观察和线扫描研究发现，方案3铸件的界面反应程度最大，反应层厚度约为20μm，方案4铸件的界面反应最弱，反应层厚度约为5μm，方案1铸件和方案2铸件的界面反应程度介于两者之间，反应层厚度分别为15μm和10μm。四种方案型壳中的Zr元素向金属基体扩散扩散深度分别为45μm、55μm、60μm和30μm，表面硬化层的厚度分别为200μm、215μm、160μm和170μm。硬化层内的显微硬度明显高于基体，且距离铸件表面越近，显微硬度值越高。
　　对铸件充型和凝固过程进行了数值模拟，预测了铸件可能存在的缩孔、缩松缺陷。利用铸件表面粗糙度比较样块观察铸件的表面质量发现，8个钛合金假肢关节铸件的表面粗糙度在Ra3.2-Ra6.3之间。方案1、方案2和方案3铸件表面存在粘砂缺陷，方案4铸件表面不存在粘砂缺陷。测量每个铸件的两个典型位置的尺寸，尺寸精度分别达到CT2～CT4和CT3～CT4。铸件解剖后发现，铸件因结构复杂而产生难以消除的缩孔，缩孔尺寸较小，均不超过1mm，缩孔位置为非关键部位，不影响铸件的使用。
　　方案1铸件的σb、σ0.2和δ分别为833.61Mpa、778.85Mpa和6.40％，方案3铸件的σb、σ0.2和δ分别为831.34Mpa、776.23Mpa和6.75%，均达到航空标准所规定的指标。拉伸断口是解理断裂、准解理断裂和韧窝断裂构成的混合型断口。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 课题意义

1.3 医用钛合金应用现状

1.4 医用钛合金发展历程

1.5 Ti-6Al-4V合金及其概况

1.5熔模精密铸造工艺概况

1.6 钛合金熔模铸造氧化物陶瓷型壳

1.7 主要研究内容与目的

第2章 实验材料和实验方法

2.1 引言

2.2 型壳的制备

2.3 合金熔炼与浇注

2.4 金相组织

2.5 表面反应层

2.6 数值模拟

2.7 拉伸性能测试

第3章 钛合金与型壳界面反应及合金组织研究

3.1 引言

3.2 界面反应模型

3.3 金相组织观察

3.4 显微组织形貌分析

3.5 反应层元素分布

3.6 铸件表层显微硬度

3.7 本章小结

第4章 钛合金充型凝固模拟及铸件质量的研究

4.1 引言

4.2数值模拟模型的建立

4.3铸件充型及凝固数值模拟实例

4.4钛合金关节铸件质量研究

4.5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢