新型医用梯度多孔Ti-Mo-Ta-Nb-Zr合金制备与组织性能研究

发布时间：2017-10-06 09:03

  本文关键词：新型医用梯度多孔Ti-Mo-Ta-Nb-Zr合金制备与组织性能研究

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【摘要】：医用β型钛合金是当前应用最为广泛的硬组织植入材料之一,其中拥有较高强度而弹性模量仍匹配人体骨骼的多孔β钛合金成为近年来研究和开发的重点。但随着孔隙引入,弹性模量得到有效减小同时力学性能也随之大幅度降低,尤其是抗压强度。本文以元素粉末冶金法与造孔剂法相结合制备低模量高强度的新型医用梯度多孔Ti-14Mo-2.1Ta-0.9Nb-7Zr合金,通过阿基米德法、X射线衍射分析和力学性能测试研究了元素粉末冶金法的不同工艺参数、造孔剂的用量和粒径尺寸以及不同的梯度结构设计对多孔钛合金孔隙率、物相组成、弹性模量及抗压强度的影响,使用扫描电镜(SEM)观察合金表面微观组织形态以及压缩断口形貌并用能谱仪进行成分分析。研究结果表明:以元素粉末冶金法制备所得多孔Ti-14Mo-2.1Ta-0.9Nb-7Zr合金为近β型钛合金,可以通过调控成型压力、烧结温度和时间三项工艺参数来调节合金孔隙率和相结构,达到控制合金弹性模量和抗压强度的目的;在200MPa、1200℃及3h条件下制备合金,其弹性模量为20.91GPa,抗压强度达到1420MPa,压缩断裂方式为准解理断裂,符合医用植入材料力学性能要求。造孔剂法制备所得高孔隙率多孔Ti-14Mo-2.1Ta-0.9Nb-7Zr合金也为近β型钛合金;随着造孔剂用量增加,平均孔径无变化,孔隙率呈线性增长,弹性模量和抗压强度减小,其中弹性模量的变化满足线性关系;随着造孔剂粒径尺寸增加,平均孔径增大而孔隙率基本不变,抗压强度和弹性模量减小;添加质量分数20%、粒径尺寸为125~200?m的NH4HCO3造孔剂制备多孔Ti-14Mo-2.1Ta-0.9Nb-7Zr合金,孔隙率达到38.9%并含有利于细胞生长的贯穿孔,抗压强度达到405MPa,而弹性模量为9.19GPa,能够在满足医用植入材料力学性能要求的同时,提升合金的生物相容性。在内外两层添加不同用量NH4HCO3造孔剂来制备所得新型医用双层梯度多孔Ti-14Mo-2.1Ta-0.9Nb-7Zr合金属于近β型钛合金;内层造孔剂用量均为20%时,随着外层造孔剂用量增加,合金孔隙率呈线性增长趋势,弹性模量和抗压强度逐渐下降且幅度减小;梯度结构为TD1020的多孔Ti-14Mo-2.1Ta-0.9Nb-7Zr合金拥有“内疏外密”的仿人体骨骼结构,并且具有低模量高强度的力学性能,适合用作人体骨骼替代的医用植入材料。
【关键词】：医用钛合金 梯度多孔 元素粉末冶金 孔隙率 弹性模量
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.23;R318.08
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 第一章 绪论8-21
• 1.1 引言8
• 1.2 生物医用材料8-10
• 1.2.1 生物医用材料定义8-9
• 1.2.2 硬组织替换材料分类9
• 1.2.3 医用金属材料9-10
• 1.3 生物医用钛及钛合金10-13
• 1.3.1 钛的合金元素和合金种类简介10-12
• 1.3.2 生物医用钛合金研究背景12-13
• 1.4 生物医用多孔钛合金的发展13-19
• 1.4.1 医用多孔钛合金研究背景14-15
• 1.4.2 医用多孔钛合金制备方法15-18
• 1.4.3 生物医用梯度多孔钛合金的研究进展18-19
• 1.5 本文的研究目的和内容19-21
• 第二章 实验材料及制备方法21-30
• 2.1 实验材料及设备21-23
• 2.1.1 合金元素的选择21
• 2.1.2 实验材料21-23
• 2.1.3 实验设备23
• 2.2 成分配比及制备方法23-28
• 2.2.1 合金成分设计23-24
• 2.2.2 元素粉末冶金工艺参数24-26
• 2.2.3 造孔剂用量和粒径尺寸26-27
• 2.2.4 制备梯度多孔结构27-28
• 2.3 分析检测方法28-30
• 2.3.1 密度和孔隙率测定28
• 2.3.2 物相组成测试28-29
• 2.3.3 扫描电镜分析29
• 2.3.4 力学性能测试29-30
• 第三章 制备工艺参数对新型医Ti-Mo-Ta-Nb-Zr合金的影响30-39
• 3.1 低孔隙率医用钛合金宏观形貌30-31
• 3.2 制备工艺参数对合金密度和孔隙率的影响31-32
• 3.3 制备工艺参数对合金物相结构的影响32-34
• 3.4 合金表面微观形貌以及成分分析34-36
• 3.5 制备工艺参数对合金压缩力学性能的影响36-37
• 3.6 合金断口分析37-38
• 3.7 本章小结38-39
• 第四章 造孔剂对多孔Ti-Mo-Ta-Nb-Zr合金组织性能的影响39-46
• 4.1 高孔隙率多孔钛合金宏观形貌39-41
• 4.2 造孔剂用量和尺寸对多孔钛合金微观形貌及孔隙率的影响41-42
• 4.3 造孔剂用量和尺寸对多孔钛合金物相结构的影响42-43
• 4.4 造孔剂用量和尺寸对多孔钛合金力学性能的影响43-45
• 4.5 本章小结45-46
• 第五章 梯度多孔Ti-Mo-Ta-Nb-Zr合金结构设计及组织性能研究46-52
• 5.1 梯度多孔钛合金结构设计46-47
• 5.2 梯度多孔钛合金宏观形貌及孔隙率47-48
• 5.3 梯度多孔钛合金微观形貌SEM图48-49
• 5.4 梯度多孔钛合金物相分析49-50
• 5.5 梯度多孔钛合金力学性能分析50
• 5.6 本章小结50-52
• 第六章 结论52-54
• 参考文献54-58
• 致谢58-59
• 附录：发表论文及参加课题59-60

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本文编号：981879