生物医用抗菌Ti6Al4V-xCu合金的性能优化研究

发布时间：2020-07-05 14:02

【摘要】：临床上广泛应用于骨科和齿科的Ti6A14V合金虽然具有良好的综合性能,但表现为生物惰性,无法预防和解决由于植入物引发的感染问题。感染一旦发生,会给病人带来沉重的经济负担和极大的痛苦,已成为临床上亟待解决的重要问题。近年来的研究表明,在金属材料中添加Cu元素能赋予材料抗菌性能以及多种生物功能,含Cu抗菌金属材料作为新型生物医用材料的应用前景非常广阔。因此,本文在Ti6A14V合金成分的基础上添加适量Cu元素,制备出Ti6A14V-xCu含铜钛合金,通过热模拟、热处理工艺优化和Cu含量调控等研究,期望获得综合性能最佳的含铜抗菌钛合金。本文设置了三种Cu含量(4.5,6,7.5 wt.%)的Ti6A14V-xCu合金,首先通过Gleeble热压缩模拟,计算出合金热加工的本构方程,再结合热加工图和组织形貌观察,获得最佳的热加工工艺。其次,通过对热处理温度和冷却速率的调控,优化出Ti6A14V-4.5Cu合金的最佳热处理工艺,并研究了相关的抗菌机制。此外,进一步对三种Cu含量(4.5,6,7.5 wt.%)的Ti6A14V-xCu合金在更小的温度范围内进行热处理工艺优化,获得了最佳的Cu含量范围。最后,通过以上研究,在最优热加工工艺和热处理工艺条件下制备出Ti6A14V-5.5Cu合金,并采用一系列实验,验证其各方面性能是否满足使用要求。本文主要结论如下:(一)通过Gleeble热压缩模拟,得到Ti6A14V-xCu(x=4.5,6,7.5 wt.%)合金的热变形本构方程分别为:Z=εexp(421206.8/RT)=1.19×1016[sinh(0.0098σ)]3.12Z=εexp(422834.4/RT)=2.79×1016[sinh(0.0098σ)]3.02Z=εexp(3 50379.1/RT)=1.95 ×1013[sinh(0.0104σ)]296由三组合金的热加工图可知,Ti6A14V-4.5Cu和Ti6A14V-6Cu合金的热加工稳定区间比Ti6Al4V-7.5Cu合金更大,表明其热变形性能较好。结合热加工图及组织形貌观察得知,若想得到性能较好的等轴组织,合金最佳的变形参数为:Ti6Al4V-4.5Cu 合金在 750 ℃/0.001～0.01 s-1或 800 ℃/0.001 s-1 条件下变形;Ti6Al4V-6Cu合金在750 ℃/0.001～0.01 s-1或800℃/0.1 s-1下变形;Ti6A14V-7.5Cu合金在750℃/0.001 s-1或800℃/0.1 s-1下变形。此外,在单相区变形时,若想得到三种合金再结晶程度较高的组织,最佳变形参数为:Ti6A14V-4.5Cu合金:950℃/0.1s-1、1000 ℃/0.1 s-1;Ti6A14V-6Cu合金:950 ℃/0.01s-1、1000 ℃/0.1 s-1;Ti6A14V-7.5Cu合金:900℃/0.01 s-1、950℃/0.001s-1、1000℃/0.01 s-1。综上可知,Ti6A14V-xCu合金的热变形需要在较低的应变速率下进行,且对成分较为敏感,随Cu含量增加,应适当减小应变速率。(二)对于Ti6Al4V-4.5Cu合金,最佳热处理工艺为740 ℃下退火1 h后空冷,得到的样品具有较好的力学性能、耐蚀性能和抗菌性能。此外,等轴组织和板条组织的抗菌性能差异较大的原因在于,等轴组织中较大尺寸的Ti2Cu颗粒和块状β相具有比板条组织中较细的条状β/Ti2Cu相更好的抗菌性能。(三)对于Ti6Al4V-xCu(x=4.5,6,7.5 wt.%)合金,通过力学性能测试得到最佳的热处理工艺分别为720℃、740 ℃和760 ℃下保温1 h后空冷,并对该三组最佳热处理工艺下的样品进行Cu含量优化,从而得到合金中Cu元素的添加量不应高于6 wt.%。(四)根据以上研究结果,制备出成分为Ti6A14V-5.5Cu的含铜钛合金。对该合金的综合性能进行评价后可知,其疲劳强度比Ti6Al4V合金提高了 13%,硬度、屈服强度、抗拉强度,和延伸率分别提高了21%、11.6%、11.4%、6.3%,耐均匀腐蚀能力也与Ti6A14V合金相当。同时,Ti6Al4V-5.5Cu合金的抗菌率达到99%,并且无细胞毒性。综上所述,Ti6A14V-Cu含铜钛合金经过热加工工艺、热处理工艺和成分优化后,具有优异的拉伸力学性能、耐磨性能、疲劳性能、耐蚀性能和抗菌性能等综合性能,并且无细胞毒性,作为一种新型的生物医用金属材料具有广阔的应用前景。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG146.23;R318.08
【图文】：

图１．３二元Ｐ同晶合金系亚稳相图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ邋ｐｈａｓｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｂｉｎａｒ＞邋ｐ－ｉ￥ｏｍｏｒｐｈｏｕｓ邋ａｌｌｏｙ邋ｓｙｓｔｅ在Ｐ相内的析出过程经过形核和长大两个过程。而形核位置、率与冷却速度及合金的成分有关。在足够慢的冷却速率下，过ａ相优先在晶界形核，并在晶界处形成网络状ａ晶界，同时，内生长，形成平行的具有相同的位向关系的ａ条状组织。若在速率下，过冷度稍大，则在Ｐ相晶粒内部也会出现ａ相形核，组织，若在极慢的冷却速率下，ａ相在晶界处形核后则会向晶内成贯穿整个晶粒的ａ条状组织。逡逑合金在ａ＋Ｐ两相区保温后以较慢的速率冷却时，合金的组织中留少量的初生ａ颗粒，冷却过程中，有可能使得ａ相在初生ａ颗得初生ａ颗粒长大粗化，ａ相也有可能在初生ａ颗粒周围形核生长，形成ａ相片丛组织。ａ片丛组织的大小受多种因素影响，一度越高，保温的时间越长，或冷却时的速率越慢，则形成的ａ同时，若合金中的｜３稳定元素含量越多，则使得Ｐ转变点越低，

钛合金具有优异的综合性能，在生物医用材料领域，特别是骨科和口腔科得逡逑到了广泛的应用，目前有骨钉、骨针、接骨板、人工关节、牙托、牙矫形丝、牙逡逑种植体等生物医用钛合金产品，部分产品见图１．２。随着经济的不断发展，生活逡逑水平的不断提高，医用钛合金的发展具有极大的潜力，其应用越来越广泛，产生逡逑的经济价值和社会效益越来越显著［３２，３３］。逡逑１０逡逑

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本文编号：2742700