激光快速成形Ti-Fe-Sn-Y生物医用合金的组织与性能

发布时间：2017-08-29 21:41

  本文关键词：激光快速成形Ti-Fe-Sn-Y生物医用合金的组织与性能

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【摘要】：激光快速成形是在给定三维立体模型基础上,利用激光熔化沉积直接制造出高性能复杂结构零件的先进制造技术。利用该技术能够实现医用种植体的个性化设计与制造,具有高柔性、短周期、低成本等诸多优点,可预见其在现代生物医学材料制造领域的巨大潜力。目前,国内外用于激光快速成形的生物医用材料以传统合金材料为主,而研究表明,这些材料尚不能满足临床和激光快速成形工艺的实际要求。因此,研发适用于激光快速成形的生物医用材料是这项技术在现代生物医学工程领域应用和发展的关键。本文基于“团簇+连接原子”结构模型,以Ti-Fe二元共晶合金的团簇式为基元,以低弹性模量、无生物毒性的Sn和Y为合金化组元,设计了新型的生物医用Ti-Fe-Sn-Y四元合金,并利用激光快速成形技术在纯钛基板上沉积Ti-Fe-Sn-Y合金成形体。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)分析了Ti-Fe-Sn-Y合金成形体和Ti70.58Fe29.42二元合金成形体的相组成及微观组织；利用3D表面轮廓仪、密度计、显微硬度计、纳米压痕仪、摩擦磨损试验机和电化学工作站,系统研究了合金化组元含量对合金成形体微观组织、表面粗糙度、密度、硬度、弹性模量和耐蚀性能的影响规律,并与Ti70.58Fe29.42二元合金成形体进行了对比分析。实验结果表明：合金元素Y具有良好的净化液相作用,可以有效抑制氧化物Ti4Fe2O的形成；Ti-Fe-Sn-Y合金成形体主要由β-Ti固溶体及TiFe金属间化合物组成,且当Sn添加量超过4.40 at.%时,合金中开始有Ti3Sn相析出。在激光快速成形非平衡凝固过程中,由于不对称伪共晶区偏向高熔点p-Ti一侧,随着Sn添加量的增加,Ti-Fe-Sn-Y合金成形体由过共晶组织向亚共晶组织转变,其中Sn添加量为4.40 at.%时,成分非常接近共晶点,形成了近共晶组织。随着Sn添加量的增加,Ti-Fe-Sn-Y合金成形体的表面粗糙度先降后增,在Sn添加量为4.40 at.%时达到最低,且优于Ti70.58Fe29.42二元共晶合金；而合金成形体的密度逐渐增加、硬度逐渐降低,弹性模量则先降后增,且在Sn添加量为5.86 at.%时达到最低值,较Ti70.58Fe29.42合金成形体降低35%。摩擦磨损实验研究表明,合金成形体的主要磨损机制为粘着磨损和磨粒磨损,且随着Sn添加量的增加,Ti-Fe-Sn-Y合金成形体的摩擦系数先降后增,在Sn添加量为5.86 at.%时达到最低,合金成形体减摩性最优；而磨损体积逐渐减低,合金成形体耐磨性逐渐增高。电化学实验研究表明,随着Sn添加量的增加,Ti-Fe-Sn-Y合金成形体在Hank's溶液中的耐腐蚀性逐渐减低,但普遍优于Ti70.58Fe29.42二元共晶合金成形体的耐蚀性。
【关键词】：激光快速成形 成分设计 钛合金 组织 性能
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG665;TG146.23
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-25
• 1.1 引言9
• 1.2 激光快速成形技术9-13
• 1.2.1 激光快速成形技术的分类11-12
• 1.2.2 激光快速成形在生物医学中的应用12-13
• 1.3 生物医学材料及性能评价13-18
• 1.3.1 生物医用材料的分类13-15
• 1.3.2 医用钛合金的发展15-16
• 1.3.3 生物医用材料的性能评价16-18
• 1.4 生物医用钛合金设计方法18-22
• 1.5 本文立题依据和研究内容22-25
• 2 激光快速成形生物医用钛合金的成分设计25-30
• 2.1 合金体系的选择25-26
• 2.2 基于团簇理论的新型钛合金成分设计26-30
• 3 实验材料与方法30-36
• 3.1 实验材料30
• 3.2 激光快速成形实验30-31
• 3.3 显微组织分析31-32
• 3.4 表面粗糙度测试32
• 3.5 密度测量32
• 3.6 显微硬度实验32
• 3.7 弹性模量测试32-33
• 3.8 摩擦磨损试验33-34
• 3.9 耐蚀性实验34-36
• 4 激光快速成形Ti-Fe-Sn-Y合金微观组织36-45
• 4.1 激光快速成形Ti_(70.58)Fe_(29.42)二元合金的微观组织36-38
• 4.2 激光快速成形Ti_(70.38)Fe_(26.39)Sn_(2.93)Y_(0.3)合金的微观组织38-41
• 4.3 合金化组元对激光快速成形Ti-Fe-Sn-Y合金组织的影响41-44
• 4.4 本章小结44-45
• 5 合金化组元对Ti-Fe-Sn-Y合金性能的影响45-60
• 5.1 Ti-Fe-Sn-Y合金成形体的表面粗糙度45-46
• 5.2 Ti-Fe-Sn-Y合金成形体的密度46-47
• 5.3 Ti-Fe-Sn-Y合金成形体的显微硬度47-49
• 5.4 Ti-Fe-Sn-Y合金成形体的弹性模量49-50
• 5.5 Ti-Fe-Sn-Y合金成形体的摩擦磨损性能50-54
• 5.6 Ti-Fe-Sn-Y合金的耐蚀性54-58
• 5.7 本章小结58-60
• 结论60-61
• 参考文献61-66
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况66-67
• 致谢67-68

【参考文献】

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