医用钛选区激光熔化及表面熔覆钛钽涂层工艺及性能研究
发布时间：2021-06-13 06:45
钛及钛合金在医学中的应用越来越广泛。纯钛无生理毒性且生物相容性好,可作为口腔种植体和人体植入骨的选用材料。但是纯钛存在硬度较低、耐磨损性和耐腐蚀性差等缺点,在植入人体后易出现松动、腐蚀导致的失效等问题,从而影响了植入物的长期稳定性,并且传统工艺成形的纯钛不能满足人体个性化需要,这极大地限制了纯钛在生物医学中的广泛应用。本论文选用国产纯钛作为基体材料,通过选区激光熔化技术制备纯钛样品,与传统的铸态纯钛以及进口SLM纯钛的性能进行了对比。然后在SLM纯钛基体上采用激光熔覆技术制备TiTa合金涂层,对涂层材料、熔覆工艺、涂层性能进行了研究。（1）本文在型号为Truprint1000的德国通快设备上选区激光熔化成形国产纯钛试样。采用正交试验优化了SLM纯钛工艺参数,从而得到了致密度高达99.5%以上的成形件。通过测试最优工艺下成形试样上表面和侧表面的组织性能,发现上表面组织为细条状马氏体,侧表面为针状马氏体,上表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性都优于侧表面。与传统铸态及SLM进口纯钛作对比研究,结果发现在拉伸性能方面,SLM国产纯钛完全符合国家标准,比传统工艺制备的纯钛优异,与进口纯钛差异不大。（2）...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钛钽二元相图[20]
中北大学学位论文14材料。图2-1（b）为钽粉的微观形貌图，可以看出扫描电镜下钽粉球形度良好。图2-1（c-f）为钛钽混合粉末形貌图，图中标记圆圈区域为钽粉，方框区域为钛粉，从图中发现随钽含量增多，钽颗粒的不规则化越来越严重，分析原因是当钽颗粒较少时，钛作为软质粒子，起到了很好的缓冲作用，避免了钽颗粒之间的互相碰撞（钛颗粒保护了钽颗粒）。钽含量的增多会加大钽颗粒之间的撞击频率，钽颗粒粉末扁化，球形度变差。但混合粉末整体球形度良好，具有较好的流动性，适合用作激光熔覆材料。图2-1粉末SEM形貌图（a）TA1粉末；（b）Ta粉末；（c）Ti10Ta粉末；（d）Ti20Ta粉末；（e）Ti30Ta粉末Fig.2-1PowderSEMmorphology(a)TA1powder;(b)Tapowder;(c)Ti10Tapowder;(d)Ti20Tapowder;(e)Ti30Tapowder2.2成形设备2.2.1选区激光熔化设备本实验中基体材料使用的选区激光熔化设备是德国通快（TRUMPF）设备（TruPrint1000），它是一款新型的3D打印金属设备（如图2-2），其相关技术参数如表2-3。该设备一大亮点是可以通过TRUMPF智能监控对整个成形过程进行监控分析，不但可以实现对整个流程的检测，而且可对状态和性能进行监测。通过数控系统控制整个工作过程，金属粉末在激光作用下熔化并冷却凝固获得零件。该设备适合小批量小型零件的生产。
中北大学学位论文15图2-2德国通快（TRUMPF）设备（TruPrint1000）Fig.2-2TRUMPFequipment(TruPrint1000)表2-3TruPrint1000技术指标Table2-3TruPrint1000technicalindicators技术指标单位参数值技术指标单位参数值构建气缸mm×mmΦ100×100（高）扫描速度m/s最大6激光源W200光纤激光器保护气体氮气、氩气焦点直径μm55电源V/A/Hz230-7-50/60单层厚度μm20重量Kg705选区激光熔化技术的具体成形工艺过程如下：（1）使用Pro-e软件进行试样的三维建模，在Mgics或者QuantAM软件上对三维模型进行位置的摆放、支撑的添加、工艺参数的设置、切片文件的导出，然后将所有数据导入SLM设备。（2）通过将粉末烘干去潮，并用标准筛筛分出符合要求的粉末颗粒（粒径范围约为0μm-63μm）来提高其流动性，然后安装基板，将已经处理的粉末装进粉末仓内。（3）将第一步设定好的数据导入到SLM成形设备所连接的计算机上，关闭仓门，对成形仓作抽真空处理，待氧气的含量降低到设定阀值后，开始充入高纯氩气作为保护气体。（4）送粉装置开始在基板上送粉，激光束按照提前设定好的切片轨迹选择性熔化金
【参考文献】：
期刊论文
[1]钛表面铜离子注入对细菌和细胞行为的影响[J]. 李昆强,乔玉琴,刘宣勇. 无机材料学报. 2020(02)
[2]微波烧结与传统烧结对纯钛组织与性能的影响?[J]. 亢宁宁,陈文革,侯蕊,赵千. 粉末冶金技术. 2019(01)
[3]表面热喷涂技术的研究[J]. 李帅伦. 河北农机. 2017(07)
[4]离子注入表面改性技术在钛合金中的研究进展[J]. 李孟宇,杨振,徐耀东,常江,崔振鹏. 黑龙江科技信息. 2017(11)
[5]激光熔覆涂层的研究现状[J]. 林程,狄姣,车显飞,毛金翔. 中国陶瓷. 2017(04)
[6]钛合金表面激光熔覆研究进展[J]. 王恩庭,李崇桂,黄茜,潘斌,黄旺华. 热加工工艺. 2016(20)
[7]表面机械处理纳米化对改善钛基植入物材料机械及生物学性能的研究进展[J]. 朱文俊,曾莉,曹小建,丁华建. 南通大学学报(医学版). 2015(04)
[8]交流方波微弧氧化电源原理分析与电路设计[J]. 谷艳飞,陈克选,王晟. 电焊机. 2014(12)
[9]国产纯钛和Ti-6Al-4V合金铸造性能研究[J]. 刘洋,穆文玲,李振春,陈小冬. 中国实用口腔科杂志. 2014(12)
[10]生物医用钛合金的研究进展[J]. 张文毓. 化学与黏合. 2014(05)
博士论文
[1]银离子注入钛的抗菌、成骨作用研究[D]. 秦晖.上海交通大学 2015
[2]纯钛表面磁控溅射氮硅锆/二氧化锆纳米复合涂层对钛瓷结合强度的影响及其生物学性能的研究[D]. 王国伟.第四军医大学 2013
硕士论文
[1]钛合金表面激光熔覆高熵合金涂层研究[D]. 李涵.大连理工大学 2017
[2]钛钽合金的组织结构与腐蚀行为研究[D]. 杨帆.西安建筑科技大学 2015
[3]磁控溅射Ti-Ag-（N）薄膜制备及其性能研究[D]. 郭杨阳.太原理工大学 2015
[4]溶胶-凝胶法制备SiO2涂层对纯钛耐腐蚀性能的影响[D]. 王道强.河北联合大学 2014
[5]磁控溅射Ti/Cu/N纳米膜制备及性能研究[D]. 张慧桥.太原理工大学 2014
[6]激光熔覆同轴送粉机理研究及装置设计[D]. 李继涛.中国石油大学 2011
[7]纳米晶体钛表面生物改性薄膜TiO2制备研究[D]. 赵光伟.江苏大学 2009
[8]H13钢表面制备钴基合金覆层的组织性能研究[D]. 牟军伟.武汉理工大学 2008
本文编号：3227216
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钛钽二元相图[20]
中北大学学位论文14材料。图2-1（b）为钽粉的微观形貌图，可以看出扫描电镜下钽粉球形度良好。图2-1（c-f）为钛钽混合粉末形貌图，图中标记圆圈区域为钽粉，方框区域为钛粉，从图中发现随钽含量增多，钽颗粒的不规则化越来越严重，分析原因是当钽颗粒较少时，钛作为软质粒子，起到了很好的缓冲作用，避免了钽颗粒之间的互相碰撞（钛颗粒保护了钽颗粒）。钽含量的增多会加大钽颗粒之间的撞击频率，钽颗粒粉末扁化，球形度变差。但混合粉末整体球形度良好，具有较好的流动性，适合用作激光熔覆材料。图2-1粉末SEM形貌图（a）TA1粉末；（b）Ta粉末；（c）Ti10Ta粉末；（d）Ti20Ta粉末；（e）Ti30Ta粉末Fig.2-1PowderSEMmorphology(a)TA1powder;(b)Tapowder;(c)Ti10Tapowder;(d)Ti20Tapowder;(e)Ti30Tapowder2.2成形设备2.2.1选区激光熔化设备本实验中基体材料使用的选区激光熔化设备是德国通快（TRUMPF）设备（TruPrint1000），它是一款新型的3D打印金属设备（如图2-2），其相关技术参数如表2-3。该设备一大亮点是可以通过TRUMPF智能监控对整个成形过程进行监控分析，不但可以实现对整个流程的检测，而且可对状态和性能进行监测。通过数控系统控制整个工作过程，金属粉末在激光作用下熔化并冷却凝固获得零件。该设备适合小批量小型零件的生产。
中北大学学位论文15图2-2德国通快（TRUMPF）设备（TruPrint1000）Fig.2-2TRUMPFequipment(TruPrint1000)表2-3TruPrint1000技术指标Table2-3TruPrint1000technicalindicators技术指标单位参数值技术指标单位参数值构建气缸mm×mmΦ100×100（高）扫描速度m/s最大6激光源W200光纤激光器保护气体氮气、氩气焦点直径μm55电源V/A/Hz230-7-50/60单层厚度μm20重量Kg705选区激光熔化技术的具体成形工艺过程如下：（1）使用Pro-e软件进行试样的三维建模，在Mgics或者QuantAM软件上对三维模型进行位置的摆放、支撑的添加、工艺参数的设置、切片文件的导出，然后将所有数据导入SLM设备。（2）通过将粉末烘干去潮，并用标准筛筛分出符合要求的粉末颗粒（粒径范围约为0μm-63μm）来提高其流动性，然后安装基板，将已经处理的粉末装进粉末仓内。（3）将第一步设定好的数据导入到SLM成形设备所连接的计算机上，关闭仓门，对成形仓作抽真空处理，待氧气的含量降低到设定阀值后，开始充入高纯氩气作为保护气体。（4）送粉装置开始在基板上送粉，激光束按照提前设定好的切片轨迹选择性熔化金
【参考文献】：
期刊论文
[1]钛表面铜离子注入对细菌和细胞行为的影响[J]. 李昆强,乔玉琴,刘宣勇. 无机材料学报. 2020(02)
[2]微波烧结与传统烧结对纯钛组织与性能的影响?[J]. 亢宁宁,陈文革,侯蕊,赵千. 粉末冶金技术. 2019(01)
[3]表面热喷涂技术的研究[J]. 李帅伦. 河北农机. 2017(07)
[4]离子注入表面改性技术在钛合金中的研究进展[J]. 李孟宇,杨振,徐耀东,常江,崔振鹏. 黑龙江科技信息. 2017(11)
[5]激光熔覆涂层的研究现状[J]. 林程,狄姣,车显飞,毛金翔. 中国陶瓷. 2017(04)
[6]钛合金表面激光熔覆研究进展[J]. 王恩庭,李崇桂,黄茜,潘斌,黄旺华. 热加工工艺. 2016(20)
[7]表面机械处理纳米化对改善钛基植入物材料机械及生物学性能的研究进展[J]. 朱文俊,曾莉,曹小建,丁华建. 南通大学学报(医学版). 2015(04)
[8]交流方波微弧氧化电源原理分析与电路设计[J]. 谷艳飞,陈克选,王晟. 电焊机. 2014(12)
[9]国产纯钛和Ti-6Al-4V合金铸造性能研究[J]. 刘洋,穆文玲,李振春,陈小冬. 中国实用口腔科杂志. 2014(12)
[10]生物医用钛合金的研究进展[J]. 张文毓. 化学与黏合. 2014(05)
博士论文
[1]银离子注入钛的抗菌、成骨作用研究[D]. 秦晖.上海交通大学 2015
[2]纯钛表面磁控溅射氮硅锆/二氧化锆纳米复合涂层对钛瓷结合强度的影响及其生物学性能的研究[D]. 王国伟.第四军医大学 2013
硕士论文
[1]钛合金表面激光熔覆高熵合金涂层研究[D]. 李涵.大连理工大学 2017
[2]钛钽合金的组织结构与腐蚀行为研究[D]. 杨帆.西安建筑科技大学 2015
[3]磁控溅射Ti-Ag-（N）薄膜制备及其性能研究[D]. 郭杨阳.太原理工大学 2015
[4]溶胶-凝胶法制备SiO2涂层对纯钛耐腐蚀性能的影响[D]. 王道强.河北联合大学 2014
[5]磁控溅射Ti/Cu/N纳米膜制备及性能研究[D]. 张慧桥.太原理工大学 2014
[6]激光熔覆同轴送粉机理研究及装置设计[D]. 李继涛.中国石油大学 2011
[7]纳米晶体钛表面生物改性薄膜TiO2制备研究[D]. 赵光伟.江苏大学 2009
[8]H13钢表面制备钴基合金覆层的组织性能研究[D]. 牟军伟.武汉理工大学 2008
本文编号：3227216
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/3227216.html
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