两种生物医用钛合金的纳米力学性能及腐蚀与磨损行为研究

发布时间：2017-05-16 20:04

  本文关键词：两种生物医用钛合金的纳米力学性能及腐蚀与磨损行为研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着医用器材在临床医学中的大量应用,生物材料的需求与日俱增。钛合金由于具有质轻,比强度高,无毒性,良好的抗蚀性能以及优异的生物相容性,已经成为了杰出的生物医用金属材料。然而,钛合金植入人体临床表明,钛合金的弹性模量高于人体骨骼易产生 应力屏蔽效应‖,造成骨质疏松和植入体的松动。为了保持钛合金特性且匹配人体骨骼的弹性模量,添加无毒元素Nb、Zr、Sn等制备β型钛合金是一条行之有效的途径。此外,医用钛合金在实际工作状态中,由于耐磨性能差,在植入状态下易遭受磨损的破坏,导致植入失效。这就要求不能仅考虑某单一性能的改善,还应考虑钛合金综合性能的提高。针对以上问题,本论文采用非自耗电弧熔炼炉制备了Ti-33Nb-4Sn和Ti-31Nb-3Zr-4Sn两种新型生物医用β型钛合金,并对两种β型钛合金的纳米力学性能、摩擦磨损性能、腐蚀性能进行了较为系统的研究。同时,考虑到钛合金在航空航天领域的应用,本文也对其耐高温氧化性能行了研究。研究结果如下:1、采用纳米压痕技术,对新型医用钛合金Ti-33Nb-4Sn和Ti-31Nb-3Zr-4Sn的纳米力学性能进行了研究。实验结果表明,Ti-33Nb-4Sn合金和Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金的接触刚度-位移拟合曲线呈线性关系,且Ti-33Nb-4Sn合金的拟合斜率大于Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金;Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金抵抗外加载荷的能力要优于ti-33nb-4sn合金,且卸载后ti-31nb-3zr-4sn的塑性变形较ti-33nb-4sn合金要小;ti-33nb-4sn和ti-31nb-3zr-4sn两种合金的弹性模量显著低于ti-6al-4v合金的弹性模量,ti-31nb-3zr-4sn合金弹性模量是三种合金中最低。ti-31nb-3zr-4sn合金弹性模量与人体骨骼相匹配,其硬度相对较高,抗外加载荷能力优秀,塑性形变小。2、采用往复磨损试验仪对两种合金的摩擦磨损性能及机理进行了研究。实验结果表明,ti-31nb-3zr-4sn合金表现出相对稳定的摩擦系数,ti-33nb-4sn合金的摩擦系数随着时间的增加,呈缓慢上升的趋势,ti-6al-4v合金的摩擦系数随时间上升会有比较明显的波动,但最后会趋于稳定。三种合金的平均摩擦系数从大到小依次为:ti-33nb-4snti-6al-4vti-31nb-3zr-4sn合金。三种合金在摩擦过程中,均形成了相对明显的犁沟并产生了大量的磨屑,呈现出磨粒磨损、氧化磨损和粘着磨损的磨损形式。通过比对摩擦系数以及磨痕形貌,表明ti-31nb-3zr-4sn合金的耐磨性最佳。3、采用动电位极化曲线法和阻抗谱曲线法研究了ti-33nb-4sn、ti-31nb-3zr-4sn和ti-6al-4v合金在模拟人体体液中的电化学腐蚀性能。实验结果表明,对比ti-6al-4v合金,ti-33nb-4sn和ti-31nb-3zr-4sn合金在模拟人体体液中的耐腐蚀性能均未显著降低,腐蚀性能无优劣化,并能保持稳定的钝化和大范围的钝化面积。4、对ti-33nb-4sn和ti-31nb-3zr-4sn两种合金高温抗氧化性能进行了对比和分析。实验结果表明,ti-33nb-4sn和ti-31nb-3zr-4sn两种合金分别在700℃和650℃出现金红石相的TiO2结构,并且都会在700℃左右出现新的TixNbyO相。随着温度的增加,氧化程度加剧,氧化增重增加,不断的有新的基体被氧化。随着温度的上升,氧化层与基体之间的应力超出临界值,使得界面出现裂纹,最终导致氧化膜脱落。
【关键词】：Ti-33Nb-4Sn合金 Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金 纳米力学性能 摩擦磨损 高温氧化性能 腐蚀
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.23;R318.08
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 引言13-14
• 1.2 生物医用金属材料概述14-15
• 1.2.1 生物医用金属材料发展简介14-15
• 1.2.2 生物医用金属材料的性能要求15
• 1.3 生物医用钛合金15-19
• 1.3.1 钛的性质15-16
• 1.3.2 钛合金的分类16-17
• 1.3.3 生物医用钛合金的发展过程17-19
• 1.4 生物医用钛合金的纳米力学性能研究19-23
• 1.4.1 纳米压痕技术研究19
• 1.4.2 生物医用钛合金的力学性能研究现状19-23
• 1.5 钛合金的摩擦性能研究23-25
• 1.5.1 钛合金的摩擦概论23-24
• 1.5.2 摩擦学基本理论24
• 1.5.3 磨损机理24-25
• 1.5.4 生物医用钛合金的摩擦磨损研究现状25
• 1.6 钛合金的腐蚀性能研究25-29
• 1.6.1 金属腐蚀25-26
• 1.6.2 钛合金的钝化机理26
• 1.6.3 钛合金的腐蚀形式26-27
• 1.6.4 钛合金电化学腐蚀研究方法27-28
• 1.6.5 生物医用钛合金腐蚀的研究现状28-29
• 1.7 课题的提出及研究内容29-31
• 第二章 实验方法31-37
• 2.1 材料制备31-33
• 2.2 合金的微结构分析33-34
• 2.3 纳米压痕力学性能测试34-35
• 2.4 干摩擦磨损实验35-36
• 2.5 电化学腐蚀实验36-37
• 第三章 Ti-33Nb-4Sn和Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金的纳米力学性能研究37-45
• 3.1 纳米压入技术概述37-38
• 3.2 纳米技术压入测试原理38-40
• 3.2.1 纳米压痕测试的力学基础参数38-40
• 3.2.2 连续刚度法40
• 3.3 实验结果分析40-44
• 3.3.1 接触刚度位移曲线分析40-41
• 3.3.2 弹性模量与硬度分析41-43
• 3.3.3 载荷位移曲线分析43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 Ti-33Nb-4Sn和Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金的摩擦磨损性能研究45-51
• 4.1 实验结果与分析45-49
• 4.1.1 摩擦系数45-47
• 4.1.2 磨痕形貌47-49
• 4.2 磨损机理讨论49
• 4.3 本章小结49-51
• 第五章 Ti-33Nb-4Sn和Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金的腐蚀性能研究51-61
• 5.1 腐蚀电化学基本理论51-53
• 5.2 极化曲线分析53-54
• 5.3 交流阻抗分析54-57
• 5.4 腐蚀形貌分析57-58
• 5.5 腐蚀机理分析58-59
• 5.6 本章小结59-61
• 第六章 Ti-33Nb-4Sn和Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金的热氧化行为研究61-73
• 6.1 热氧化理论基础61-63
• 6.2 实验方法63-64
• 6.2.1 材料准备63-64
• 6.2.2 实验器材64
• 6.2.3 实验步骤64
• 6.2.4 氧化层的检测方法64
• 6.3 结果与分析64-70
• 6.3.1 氧化增重曲线分析64-66
• 6.3.2 氧化层组成的XRD分析66-67
• 6.3.3 氧化膜形貌的SEM及EDS分析67-70
• 6.4 本章小结70-73
• 第七章 总结与展望73-77
• 7.1 总结73-75
• 7.2 工作展望75-77
• 参考文献77-87
• 致谢87-89
• 攻读学位期间发表论文89

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