生物钛合金组合材料设计及TI-Co-Nb三元相图研究

摘要

钛及钛合金由于质轻、强度高、弹性模量低、耐腐蚀性能好及具有优良的生物相容性而被广泛应用于生物医用领域。运用一种改进的方法制作了多元扩散节Ti-Zr-Ta(Nb)，并在1173K温度下退火1800h，水淬至室温。结合纳米压痕仪(nano-indentation)与电子探针(EPMA)，测定了扩散节上每一点的成分、硬度、弹性模量，建立了Ti-Zr-Ta(Nb)体系成分-硬度-弹性模量数据库。另外，研究了Ti-Co-Nb三元系在1273K时的相关系。本研究得出以下结论:
　　1.在Ti-Ta二元系中，弹性模量并没有随着β稳定元素Ta的添加而持续下降，而是呈现出“W”形状的变化趋势，这主要与Ti-Ta合金自高温β相区水淬至室温时所产生的不同相变过程有关。Ti-28％Ta、Ti-59％Ta合金具有较小的弹性模量，其值分别为67.5、67.8 GPa。Ti-37％Ta合金具有较大的硬度，其值为4.0GPa。在Ti-Zr-Ta三元系中，Ti-38Zr-10Ta合金具有较低的弹性模量63.3GPa以及较大的硬度3.4GPa，有望在该合金的基础上研发新型生物医用钛合金。
　　2.在Ti-Nb二元系中，弹性模量随着Nb含量的增加同样呈现出“W”形状的变化趋势。Ti-39％Nb合金具有较小的弹性模量63.5GPa，Ti-21％Nb合金具有较大的硬度，其值为4.1GPa。Ti-41Zr-10Nb具有较小的弹性模量(62.7GPa)，且硬度较大(2.7GPa)，有望在此基础上开发新型的生物医用钛合金。
　　3.本实验所测得的弹性模量数据与他人利用单个合金测量结果相一致，证明该方法是一种高效、可靠的实验方法，因此该方法可以加快生物医用钛合金材料的研究与新发现。
　　4.建立了Ti-Co-Nb三元系1273K的等温截面。化合物基本都有一定的固溶度，Ti、Nb可以在一定程度上进行替换，NbCo2、TiCo2(h)可以形成连续固溶体(Ti，Nb)Co2。Ti-Co-Nb三元系在1000℃时没有形成三元化合物，测定了4个三相平衡:
　　(1)μ-Nb6Co7+(Ti，Nb)Co2+ TiCo;
　　(2)μ-Nb6Co7+ TiCo+(Ti,Nb);
　　(3)(Ti,Nb)Co2+TiCo2(c)+TiCo;
　　(4)Ti2Co+TiCo+(Ti,Nb)。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 引言

1．2 医用金属材料

1．2．1 医用金属材料的植入要求

1．2．2 医用金属材料的分类

1．3 钛及钛合金简介

1．3．1 钛合金的分类

1．3．2 钛合金的相变

1．3．3 生物医用钛合金的发展及力学性能

1．4 降低弹性模量的方法

1．4．1 控制钛合金的微观组织降低弹性模量

1．4．2 制备多孔钛合金降低弹性模量

1．5 本课题的主要研究内容及思路

2 Ti-Zr-Ta体系成分-弹性模量-硬度的关系

2．1 引言

2．2 实验过程

2．2．1 扩散多元节Ti-Zr-Ta的制备

2．2．2 原子力显微镜(AFM)

2．2．3 纳米压痕仪

2．2．4 成分测定

2．3 结果与讨论

2．3．1 表面粗糙度

2．3．2 EPMA面扫

2．3．3 显微组织与相组成

2．3．4 加载载荷对弹性模量与硬度的影响

2．3．5 载荷-位移曲线

2．3．6 压痕表面形貌

2．3．7 弹性模量、硬度与Ta含量的关系

2．3．8 Ti-Zr-Ta体系成分-弹性模量-硬度的关系

2．4 本章小结

3 Ti-Zr-Nb体系成分-弹性模量-硬度的关系

3．1 引言

3．2 实验过程

3．3．实验结果与分析

3．3．1 表面粗糙度

3．3．2 EPMA面扫

3．3．3 Ti-Nb成分曲线

3．3．4 纳米压痕实验

3．3．5 弹性模量、硬度与Nb含量的关系

3．3．6 Ti-Zr-Nb体系成分-弹性模量-硬度关系

3．4 本章小结

4 Ti-Co-Nb三元系1273K相关系的研究

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．1 多元扩散节的制备

4．2．2 样品检测

4．3 实验结果与讨论

4．4 本章小结

5 结论

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢