铸造Ti-6Al-7Nb合金疲劳性能的实验研究

发布时间：2020-05-15 14:53

【摘要】： 疲劳是材料最主要的破坏形式之一,在自然界发生相当普遍。口腔修复体在咀嚼力的反复作用下,产生裂纹,经过时间的积累,可能会发生突然的断裂。有统计数据表明,相当一部分可摘义齿卡环的折断是疲劳引起的。因此,通过实验研究金属材料抗疲劳的性能,对金属的疲劳寿命进行预测,具有重要的实际意义。 Ti-6Al-7Nb合金是得到国际公认的ISO标准医用钛合金(ISO5832-11),目前广泛应用于医学。但其在医学范围主要用于外科植入和种植领域,并未作为支架合金被引用至口腔修复领域。本实验通过对铸造后α+β型Ti-6Al-7Nb合金的疲劳性能进行观测,为临床医生开展Ti-6Al-7Nb合金的活动义齿支架修复提供实验参考。 研究内容与方法: 1.研究不同热处理方式对铸造Ti-6Al-7Nb合金疲劳性能的影响。采用拉-拉疲劳试验法与室温拉伸试验测试固溶+时效硬化退火、再结晶退火、以及四种等温退火(分别为250℃、300℃、350℃和400℃四个保温水平)共六种热处理方式对铸造Ti-6Al-7Nb合金疲劳性能以及抗拉强度的影响。 2.研究不同激光焊接参数对Ti-6Al-7Nb合金疲劳性能的影响。采用拉-拉疲劳试验法与室温拉伸试验测试不同激光焊接参数对Ti-6Al-7Nb合金和纯钛铸件疲劳寿命与抗拉强度的影响。 3. Ti-6Al-7Nb合金铸造卡环固位力及疲劳性能的实验研究。分别制作Co-Cr合金、TA2以及Ti-6Al-7Nb合金的120#卡环,进入基牙倒凹深度分别为0.25mm和0.5mm,测试卡环在使用0、0.5、1、1.5、2、2.5、3年的固位力,并记录卡环疲劳失效时的摘戴循环次数。 研究结果: 1.经等温退火300℃～400℃处理的Ti-6Al-7Nb合金疲劳寿命得到最大程度的提高(P0.05),表现出良好的抗疲劳性能,并且经过该处理的该合金抗拉强度没有受到不利影响, 2.当最大焊接电流分别为125mA、150mA、175mA时,试件的焊接深度可以达到0.2-0.25mm、0.45mm和0.7-0.8mm左右。在相同焊接参数条件下,Ti-6Al-7Nb合金试件的抗拉强度与疲劳寿命均高于纯钛试件(P0.05)。采用最大焊接电流为175mA,双面焊的情况下,Ti-6Al-7Nb合金与纯钛铸件可以被完全焊透,此时两种材料的抗拉强度与疲劳寿命均与未焊接的对照组无显著差异(P0.05)。 3.随着使用时间的增加,各卡环组固位力均呈减小趋势,二者间存在着直线关系。Ti-6Al-7Nb合金铸造卡环在开始的1.5年模拟摘戴循环试验中所测得的固位力要大于纯钛卡环,小于Co-Cr合金卡环,但其固位力丧失要小于Co-Cr卡环,从第1.5年开始,进入倒凹0.5mm的Ti-6Al-7Nb合金卡环固位力大于Co-Cr合金卡环(P0.05),进入倒凹0.25mm的Ti-6Al-7Nb合金卡环固位力与Co-Cr合金卡环已无明显区别(P0.05)。所有卡环在疲劳失效时仅表现出塑性变形,没有发生折断现象。同时,Co-Cr合金卡环的疲劳寿命最高,其余依次为Ti-6Al-7Nb合金与纯钛卡环。 结论: 1.等温退火300℃～400℃是提高Ti-6Al-7Nb合金疲劳强度较为理想的热处理方式 2. Ti-6Al-7Nb合金的拉伸强度和疲劳强度均高于相同焊接参数处理的TA2组;以175mm电流焊接的Ti-6Al-7Nb合金与纯钛试件可以获得良好的机械强度与抗疲劳性能。 3. Ti-6Al-7Nb合金卡环的固位力在试验前半程与Co-Cr合金卡环有一定差距,在后半程高于(进入倒凹深度0.5mm各组)或不低于(进入倒凹深度0.25mm各组)Co-Cr合金卡环,在试验全程都高于TA2卡环。另外,Ti-6Al-7Nb合金卡环的疲劳寿命低于Co-Cr合金卡环,高于TA2卡环。Ti-6Al-7Nb合金制作的卡环可以满足临床使用要求。
【图文】：

第四军医大学硕士学位论文试验机（深圳新三思材料检测有限公司）；SUPRA55 扫描电子S 德国）；PNG3 金相显微镜（Olympus 日本）STME466-07 疲劳试验标准中的试样规格，将 1.5mm 厚的有机如图 1-1 所示的试样，安插铸道，用氧化锆内包埋料和磷酸盐包埋，高温箱式电炉烘烤，焙烧，使有机玻璃高温下气化，挥，然后使用牙科专用铸钛机常规铸造，得到 Ti-6Al-7Nb 铸件 线探伤检查（照射参数 52kv/100mA/125ms，图 1-2），去除有件，合格试件分别用 180#，400#，600#，800#，1000#水砂纸。

图 1-8 疲劳试件断端 SEM 形貌黑色细箭头表示铸造缺陷，白色细箭头表示裂纹源，黑色粗箭头表示瞬间断裂区，白色粗箭头代表裂纹扩展区3.4 金相观测结果如图 1-9 所示：A 组可以看到较为典型的编织状魏氏组织，具有明显的等轴 β 晶界，在原始 β 晶界上分布清晰的较窄的片状 α 束域，每片位向均不相同，相互交错呈编织状，并伴有连续的网蓝组织，晶粒比较粗大。对照组D 组在金相显微镜下呈现典型的钛合金网篮组织。B，C1 组也均呈现典型的钛合金网篮组织，不同之处在于其显微组织结构较 D 组明显细化。C1、C2、C3、C4 各组金相组织基本相同（C2、C3、C4 不再单独列出），其晶粒的大小也基本一致。
【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：R783.1

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本文编号：2665212