多元医用钛合金第一性原理模拟与实验研究
发布时间：2021-10-08 13:03
钛合金由于其良好的可加工性及较小的弹性模量而作为植入体材料广泛应用于医学领域。但现有的钛合金还存在弹性模量较人体骨偏高,耐腐蚀性较差,生物活性及抗菌性差等不足。因此制备出与人体力学性能相符并兼具优良的耐腐蚀性、生物活性及抗菌性的钛合金成为主要的研究方向。首先通过第一性原理方法结合d-电子理论设计合金成分,利用粉末冶金法制备出钛合金基体,再通过阳极氧化法在合金表面制备纳米氧化层,最后在具有纳米氧化层的合金试样表面通过等离子喷涂技术制备出HA及HACu Zn复合涂层。通过金相显微镜、SEM、XRD、万能试验机、电化学工作站和自动划痕仪对试样的显微结构、物相组织、力学性能、耐腐蚀性及结合力进行分析。通过体外生物活性实验、细胞毒性及抗菌性实验进行试样生物活性、细胞毒性及抗菌性的表征。实验结果表明:通过第一性原理对合金的性能进行预测,Ti-10Mo-28Nb合金综合力学性能最佳。Ti-10Mo-28Nb-Zr四元合金体系中,当Zr含量为3 wt%时,合金具有相界清晰,晶粒均匀的等轴β相,其具有较高的抗压强度955 MPa及较低的弹性模量43.39 GPa。在Ti-10Mo-28Nb-3Zr-Ta...
【文章来源】：华北理工大学河北省
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于Bo和Md的相稳定图
华北理工大学硕士学位论文-10-1.3.2熔铸法金属基体与增强体混合、熔炼并进行铸造，最后进行机械加工，即为熔铸法[69]。实验室采用熔铸法制备钛合金，虽然此方法具有工艺相对简单、且其制备成本低的特点，可直接铸成相对复杂的使用零件。但是，生物用钛合金的基体材料在人体体液相中具有很高的反应活化能及活性，在合金的熔化和合金的铸造过程中制备出的合金润湿性差。因此，传统熔铸法制备钛合金逐渐被取代。1.3.3粉末冶金法粉末冶金法作为一种近净成形技术，其经过合金粉末的混料，压坯成型，烧结等过程制备出性能优良的合金，粉末冶金操作简单，可根据需求加入合金元素及造孔剂，改变工艺参数，制备致密及不同孔隙率的合金，且生产成本较低，缩短制备周期。1）传统粉末冶金法传统粉末冶金法是将钛粉或钛合金粉末直接烧结，很难直接获得致密的钛产品，且合金中存在难消除的孔隙等缺陷。为了提高合金烧结致密度，烧结后的产品需经过热等静压处理，造成生产成本的增加。在传统粉末冶金法制备的钛合金其氧含量高，造成合金性能的下降。2）新型粉末冶金新型的粉末冶金将传统钛粉用氢化钛替换，再其中添入各种合金元素后，经真空高温烧结，获得钛合金的半成品，该半成品与最终产品尺寸相近，再经过加工获得最终产品。该法的工艺流程如图2[70]所示。图2氢化钛制备钛合金的新工艺Fig.2NewprocessforpreparingTitaniumAlloyfromTitaniumhydroxide
华北理工大学硕士学位论文-16-表5（续）仪器名称型号厂家行星球磨机XM-4湘潭湘仪仪器有限公司真空高温烧结炉JNL-17ZTL洛阳利宇窑炉有限公司真空干燥箱DZF-1北京西城区医疗器械二厂压力试验机TYE-300B无锡建仪仪器机械有限公司2.2实验制备过程2.2.1实验技术路线实验工艺流程图：图3高强度医用钛合金的制备流程图Fig.3Technicalroutechartoflowelasticmodulustitaniumalloy本课题分三个阶段进行探究，第一阶段是通过第一性原理对不同结构模型的三元
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型生物医用钛合金的设计及应用进展[J]. 麻西群,于振涛,牛金龙,余森,刘少辉,贺新杰. 有色金属材料与工程. 2018(06)
[2]新型医用钛合金材料的研发和应用现状[J]. 于振涛,余森,程军,麻西群. 金属学报. 2017(10)
[3]β钛合金成分设计:理论、方法、实践[J]. 王光荣,高颀,刘继雄,杨奇,王鼎春,姚锐,廖松义,郑峰. 材料导报. 2017(03)
[4]基于d电子理论的轻质Nb-Ti高温合金设计[J]. 孔金涛,胡锐,寇宏超,李金山,郑欣. 稀有金属材料与工程. 2015(05)
[5]钛合金设计中合金元素影响机理的研究进展（英文）[J]. 卢金文,葛鹏,赵永庆. 稀有金属材料与工程. 2014(04)
[6]钛及其合金的腐蚀[J]. 张睿,张慧霞,贾瑞灵,郭为民. 材料开发与应用. 2013(04)
[7]合金元素Nb、Ta、Fe、Zr对钛合金组织和性能的影响[J]. 廉才浩,杨胜,周慧,唐仁波,李丹. 热加工工艺. 2013(14)
[8]生物医用钛合金材料的生物及力学相容性[J]. 于振涛,韩建业,麻西群,余森,张明华,张于胜. 中国组织工程研究. 2013(25)
[9]放电等离子烧结制备Ti-4.3Fe-7.1Cr-3Al合金[J]. 焦泽辉,宋西平. 稀有金属材料与工程. 2012(02)
[10]合金相的“团簇+连接原子”模型与成分设计[J]. 董闯,羌建兵,袁亮,王清,王英敏. 中国有色金属学报. 2011(10)
博士论文
[1]医用β-TiNbZrX（X=In和Sn）合金的致密化机理与组织性能研究[D]. 王芬.华南理工大学 2018
[2]羟基磷灰石/Ti-13Nb-13Zr生物材料的制备和性能研究[D]. 何远怀.昆明理工大学 2018
[3]熔铸法制备TiC增强高温钛合金基复合材料组织与高温变形行为[D]. 戚继球.哈尔滨工业大学 2013
硕士论文
[1]等离子喷涂羟基磷灰石涂层的研究[D]. 赵文.中北大学 2019
[2]耐蚀Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金的成分优化及组织性能研究[D]. 陈才敏.哈尔滨工业大学 2018
[3]医用梯度复合HA/TiN涂层的制备与表征研究[D]. 陈章波.中国矿业大学 2018
[4]βTi-Nb合金的电子结构计算[D]. 陈星太.辽宁大学 2017
[5]低弹性模量Ti-Nb基钛合金的成分设计及性能研究[D]. 国良.大连理工大学 2016
[6]低模量β-钛合金Ti-Nb-Sn-Zr成分设计及其组织与性能研究[D]. 杨艳.大连理工大学 2015
[7]纯钛表面含Cu抗菌涂层制备及性能研究[D]. 吴海波.太原理工大学 2015
[8]β型钛合金相稳定性和弹性性能第一性原理研究[D]. 吴昌义.湘潭大学 2011
[9]生物医用钛合金显微组织和力学性能的研究[D]. 陈艳飞.哈尔滨工业大学 2006
[10]新型医用β-Ti28Nb24.5Zr合金组织和性能的研究[D]. 查树银.天津大学 2006
本文编号：3424216
【文章来源】：华北理工大学河北省
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于Bo和Md的相稳定图
华北理工大学硕士学位论文-10-1.3.2熔铸法金属基体与增强体混合、熔炼并进行铸造，最后进行机械加工，即为熔铸法[69]。实验室采用熔铸法制备钛合金，虽然此方法具有工艺相对简单、且其制备成本低的特点，可直接铸成相对复杂的使用零件。但是，生物用钛合金的基体材料在人体体液相中具有很高的反应活化能及活性，在合金的熔化和合金的铸造过程中制备出的合金润湿性差。因此，传统熔铸法制备钛合金逐渐被取代。1.3.3粉末冶金法粉末冶金法作为一种近净成形技术，其经过合金粉末的混料，压坯成型，烧结等过程制备出性能优良的合金，粉末冶金操作简单，可根据需求加入合金元素及造孔剂，改变工艺参数，制备致密及不同孔隙率的合金，且生产成本较低，缩短制备周期。1）传统粉末冶金法传统粉末冶金法是将钛粉或钛合金粉末直接烧结，很难直接获得致密的钛产品，且合金中存在难消除的孔隙等缺陷。为了提高合金烧结致密度，烧结后的产品需经过热等静压处理，造成生产成本的增加。在传统粉末冶金法制备的钛合金其氧含量高，造成合金性能的下降。2）新型粉末冶金新型的粉末冶金将传统钛粉用氢化钛替换，再其中添入各种合金元素后，经真空高温烧结，获得钛合金的半成品，该半成品与最终产品尺寸相近，再经过加工获得最终产品。该法的工艺流程如图2[70]所示。图2氢化钛制备钛合金的新工艺Fig.2NewprocessforpreparingTitaniumAlloyfromTitaniumhydroxide
华北理工大学硕士学位论文-16-表5（续）仪器名称型号厂家行星球磨机XM-4湘潭湘仪仪器有限公司真空高温烧结炉JNL-17ZTL洛阳利宇窑炉有限公司真空干燥箱DZF-1北京西城区医疗器械二厂压力试验机TYE-300B无锡建仪仪器机械有限公司2.2实验制备过程2.2.1实验技术路线实验工艺流程图：图3高强度医用钛合金的制备流程图Fig.3Technicalroutechartoflowelasticmodulustitaniumalloy本课题分三个阶段进行探究，第一阶段是通过第一性原理对不同结构模型的三元
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型生物医用钛合金的设计及应用进展[J]. 麻西群,于振涛,牛金龙,余森,刘少辉,贺新杰. 有色金属材料与工程. 2018(06)
[2]新型医用钛合金材料的研发和应用现状[J]. 于振涛,余森,程军,麻西群. 金属学报. 2017(10)
[3]β钛合金成分设计:理论、方法、实践[J]. 王光荣,高颀,刘继雄,杨奇,王鼎春,姚锐,廖松义,郑峰. 材料导报. 2017(03)
[4]基于d电子理论的轻质Nb-Ti高温合金设计[J]. 孔金涛,胡锐,寇宏超,李金山,郑欣. 稀有金属材料与工程. 2015(05)
[5]钛合金设计中合金元素影响机理的研究进展（英文）[J]. 卢金文,葛鹏,赵永庆. 稀有金属材料与工程. 2014(04)
[6]钛及其合金的腐蚀[J]. 张睿,张慧霞,贾瑞灵,郭为民. 材料开发与应用. 2013(04)
[7]合金元素Nb、Ta、Fe、Zr对钛合金组织和性能的影响[J]. 廉才浩,杨胜,周慧,唐仁波,李丹. 热加工工艺. 2013(14)
[8]生物医用钛合金材料的生物及力学相容性[J]. 于振涛,韩建业,麻西群,余森,张明华,张于胜. 中国组织工程研究. 2013(25)
[9]放电等离子烧结制备Ti-4.3Fe-7.1Cr-3Al合金[J]. 焦泽辉,宋西平. 稀有金属材料与工程. 2012(02)
[10]合金相的“团簇+连接原子”模型与成分设计[J]. 董闯,羌建兵,袁亮,王清,王英敏. 中国有色金属学报. 2011(10)
博士论文
[1]医用β-TiNbZrX（X=In和Sn）合金的致密化机理与组织性能研究[D]. 王芬.华南理工大学 2018
[2]羟基磷灰石/Ti-13Nb-13Zr生物材料的制备和性能研究[D]. 何远怀.昆明理工大学 2018
[3]熔铸法制备TiC增强高温钛合金基复合材料组织与高温变形行为[D]. 戚继球.哈尔滨工业大学 2013
硕士论文
[1]等离子喷涂羟基磷灰石涂层的研究[D]. 赵文.中北大学 2019
[2]耐蚀Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金的成分优化及组织性能研究[D]. 陈才敏.哈尔滨工业大学 2018
[3]医用梯度复合HA/TiN涂层的制备与表征研究[D]. 陈章波.中国矿业大学 2018
[4]βTi-Nb合金的电子结构计算[D]. 陈星太.辽宁大学 2017
[5]低弹性模量Ti-Nb基钛合金的成分设计及性能研究[D]. 国良.大连理工大学 2016
[6]低模量β-钛合金Ti-Nb-Sn-Zr成分设计及其组织与性能研究[D]. 杨艳.大连理工大学 2015
[7]纯钛表面含Cu抗菌涂层制备及性能研究[D]. 吴海波.太原理工大学 2015
[8]β型钛合金相稳定性和弹性性能第一性原理研究[D]. 吴昌义.湘潭大学 2011
[9]生物医用钛合金显微组织和力学性能的研究[D]. 陈艳飞.哈尔滨工业大学 2006
[10]新型医用β-Ti28Nb24.5Zr合金组织和性能的研究[D]. 查树银.天津大学 2006
本文编号：3424216
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