低模量β-钛合金Ti-Nb-Sn-Zr成分设计及其组织与性能研究
发布时间：2020-04-10 21:27
【摘要】：钛及钛合金是继不锈钢、钻基合金、贵金属等材料之后的新一代生物医用金属材料。钛及钛合金具有高强度、高韧性、低弹性模量、耐腐蚀、耐磨损性能和优越的生物相容性,成为医用内植入体产品的首选材料。本文借助于团簇模型理论,即以CN14配位多面体作为基础团簇的结构模型,并对团簇适当的合金化。根据合金元素Nb、Sn、Zr与Ti之间的混合焓大小,可建立以Sn为中心原子,Ti为壳层的SnTii4团簇,Nb作为连接原子取3,得到基础团簇加连接原子模型[SnTi14]Nb3,所设计钛合金电子浓度(e/a)为4.167,钼当量(Mo)为7.9。由于Ti和Zr具有相似的化学特征,利用Zr原子部分取代团簇壳层上的Ti原子后,Zr与连接原子Nb的混合焓为更正,就意味着Zr合金化可以弱化连接原子Nb与团簇壳层原子(Ti、Zr)的结合力,亦即降低了团簇之间的连接强度,因而有望降低材料整体弹性模量。同时,Zr与团簇中心原子Sn的混合焓更负(AHsn-zr=-43kJ/mol),可使团簇结合力更强,结构更加稳定,以利于获得稳定β相结构。本次实验用真空电弧熔炼炉熔炼四个成分Ti-26Nb-11Sn、Ti-25.6Nb-10.8Sn-4.2Zr、 Ti-25.1Nb-10.7Sn-8.2Zr、Ti-24.6Nb-10.4Sn-12Zr合金铸锭,分别对铸态及均匀化处理后合金进行XRD相分析及金相显微组织分析,结果表明所设计的合金在铸态及均匀化处理态下均为单一β相,满足设计理论要求。对均匀化处理合金进行硬度测试,结果表明随着Zr含量的增加,固溶强化效应越显著,合金硬度值越高,最高硬度值达到302.8HV0.2。对均匀化处理合金进行压缩变形力学性能测试,发现四个合金均具有超好塑性,且弹性模量值随着Zr含量的增加而降低。这是因为Zr含量越多,团簇之间的连接强度越弱,弹性模量越低。实验结果显示：最低压缩弹性模量值达到9.08GPa。对均匀化处理合金进行电极极化曲线测定,成分为Ti-25.1Nb-10.7Sn-8.2Zr的钛合金具有最佳耐腐蚀性能。综合本文所设计的四种成分钛合金的综合力学性能和耐腐蚀性能分析可以总结出：Ti-25.1Nb-10.7Sn-8.2Zr较其他三种成分更符合生物医用低弹性β钛合金的设计要求。
【图文】：
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本文编号：2622723
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