低弹性模量Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金铸造性能的基础研究

摘要

钛因其优良的生物相容性和耐腐蚀性、适当的机械性能逐渐成为口腔领域关注的热点。纯钛相对于不锈钢合金来说具有良好的耐腐蚀性能和组织相容性，但它相对较低的强度及易磨损性使它的应用受到一些限制。本来用于航空领域的Ti-6Al-4V，因其强度高，弹性模量低，耐腐蚀性及组织相容性较好，已经成为医学各领域广泛使用的生物材料，涉及关节整形、外伤固定器械设备、牙科种植等领域。但是人们也越来越注意到它潜在的因铝和钒离子的析出而可能产生的毒性。为了扩大钛及钛合金在口腔修复领域的应用，有学者对一些新合金进行了研究，以弥补纯钛修复体在强度、硬度等方面的不足，并寻求解决修复体的生物相容性问题的途径。口腔领域中，各种修复体及修复体的各个部件对材料性能都有不同的要求，如卡环、桩核、种植体等相关材料除了应满足上述钛合金的基本条件外，还应满足修复体对材料弹性模量的要求，即具有较低的、与硬组织接近的弹性模量。近年来，国内外致力于开发这种具有低弹性模量的生物钛合金，有的已应用于临床。本文选择国内开发的低弹性模量β-钛合金——Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(wt％)合金进行研究。和纯钛相比，它具有较低的弹性模量(33GPa)，同时又有较好的力学性能。本文对该合金的铸流率、铸造后力学性能进行评价，并分析了该合金在铸造过程中形成的反应层的结构和化学成分，通过与商用TA2型纯钛和Ti-6Al-4V合金作比较，为该合金作为铸造合金应用于齿科提供依据。 具体研究结果如下：1.采用网状试样，研究Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn、纯钛和Ti-6Al-4V合金在分别在三种铸模温度(室温、300℃和600℃)下的铸流率。方差分析结果显示在室温及300℃铸造时Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金铸流率明显低于纯钛及Ti-6Al-4V合金；在600℃铸造时三种合金铸流率没有明显差别。Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金在室温及300℃组的铸流率明显低于600℃组。 2.按照国家标准要求制作拉伸试样，通过对Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金铸造后的力学性能进行研究，并对显微硬度进行检测，对剖面组织金相显微结构和断口形貌进行观察。结果显示Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金的抗拉强度为681.7MPa，屈服强度为410MPa，延伸率为6％，弹性模量42.1GPa，维氏硬度为453Hv；合金金相组织表现为细化的晶粒结构，合金断口呈典型的微孔聚合型断裂形貌。和纯钛相比，其铸造后仍具有较高的机械性能，较低的弹性模量，是适合临床制作卡环，桩核等修复体的新型钛合金材料。Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金机械性能能够满足制作口腔修复体的要求。 3.通过显微硬度、金相分析、能谱分析(EDS)的方法，研究Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金室温铸造后的表面反应层结构，并与纯钛和Ti-6Al-4V合金做对比；同时，研究了不同铸模温度(室温和300℃)对Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金表面反应层结构的影响。结果显示：纯钛和Ti-6Al-4V合金室温铸造时其表面反应较Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金明显，三者室温下表面反应层厚度接近，表面反应层抛光后污染元素明显减少。随着铸模温度的提高，Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金铸件表面反应层的厚度增加，表面硬度值增大。组织金相显示铸件表面反应层结构可分为3层。铸件表面抛光前元素Si，Al含量较高，抛光后则明显减少。且随着铸模温度的提高，Si的扩散深度及渗透量均有所增加。 由以上结果可以得到如下结论：1.Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金在室温下铸造后其机械性能优于纯钛，而弹性模量明显低于纯钛。2.表面反应层厚度和纯钛与Ti-6Al-4V合金相近。3.其室温下铸流率较差，可考虑改进包埋料、提高铸模温度来保证其铸全率。4.铸模温度是影响铸造性能的重要因素。提示：Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金可以做为齿科铸造合金应用于临床。

目录

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缩略语表

前言

文献回顾

实验一Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金铸流率的研究

实验二Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金铸件的机械性能研究

实验三Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn合金铸件表面反应层结构的研究

小 结

参考文献

附录

个人简历

致谢