医用钛合金Ti13Nb13Zr力学性能的研究

发布时间：2020-08-31 21:45

　　钛及钛合金有强度强、质量轻、无毒无磁性、抗腐蚀性能优良及良好的生物相容性等优秀特点,成为最合适在医疗中使用的金属材料,钛和钛合金广泛应用于人体种植体、牙科、医疗器械和人体矫形外科等医学领域中,但随着社会的不断进步,人们对医用钛合金的要求也在不断的更高。Ti13Nb13Zr是新兴的第3代医用钛合金,由生命族元素构成,不含有Al等对人体有害的元素,而且具有更低弹性模量、更好生物相容性和更高强度,取代第2代合金已成为不可避免的趋势。所以进一步掌握钛合金的力学性能具有非常高的价值。为研究第3代医用钛合金Ti13Nb13Zr的力学性能,本文进行以下的工作:(1)采用纳米压痕,对Ti13Nb13Zr进行了微纳米力学测试,分析了材料在微纳米尺度下的力学性质。通过实验得到材料在微纳米尺度下接触刚度,弹性模量,硬度等性能,为Ti13Nb13Zr在人体中服役提供了重要的实验数据。(2)为了确定Ti13Nb13Zr在植入人体发生的蠕变行为,所以在室温下利用纳米压痕仪测量了Ti13Nb13Zr的蠕变行为的规律。通过改变实验的加载速率与最大载荷,确定这两个因素对实验结果的影响。结果表明,实验结果与加载速率和最大载荷无关,只与材料本身性质相关。最终测得材料的蠕变应力指数范围在28.98~34.66之间,为Ti13Nb13Zr在植入人体发生的蠕变行为提供了实验数据和理论参考。(3)Ti13Nb13Zr合金在人体服役后,材料不可避免会受到低速冲击。为了掌握材料在低速冲击下的力学性能,进行落锤实验测量Ti13Nb13Zr在低速冲击条件下的能量吸收与损伤情况。通过使用不同形状的冲头与改变冲击能量,确定这两个因素对实验结果的影响。结果表明,冲头的几何形状对于冲头位移和损伤情况有很大的影响,圆柱形冲头的峰值载荷最大,圆锥形冲头的冲头位移最大,损伤面积最小也更为集中。当冲头为圆柱形冲头冲击能量为30J时,材料未被破坏,测得73%的能量被材料吸收。本文通过研究第三代医用钛合金Ti13Nb13Zr合金在微纳米尺度下的力学性能,蠕变性能以及低速冲击下的力学性能,与目前临床中使用最广泛的医用钛合金Ti6A14V进行性能对比,Ti13Nb13Zr的蠕变应力指数为Ti6A14V的4倍左右,能量吸收率基本相同。Ti13Nb13Zr在这两方面的力学性能更为优秀,说明Ti13Nb13Zr的前景非常优秀。同时为本文的研究对象第三代医用钛合金Ti13Nb13Zr合金的设计、材料自身的发展可提供重要的实验与理论依据,为避免意外发生提供保障,还能拓展材料的应用前景,同时为其他医用钛合金研制和开发提供了新的方法和思路。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TG146.23;R318.08
【部分图文】：

钛合金,医用钛合金,钴基合金

会破坏附近骨质，使骨质溶解，导致局部组织发生刺激反应甚至坏会导致过敏反应和呼吸系统的功能障碍，而且由于其会抑制细胞增殖，导癌细胞的生成，所以钴基合金在人体内的应用会受到一定的限制[5,7]。在 20 世纪中叶，Bothe 等人通过研究动物实验，发现植入体内的纯钛与好共存，没有发现不良反应，开始将钛作为生物医用合金的原材料[8]。在究者首次研制出医用钛合金 Ti6Al4V，到现在为止被研制出的医用钛合数百种。钛合金与不锈钢和钴基合金相比，具有模量低、强度高、韧性磁性、良好的生物相容性等优点。医用钛合金在生物医用方面有着广泛例如用于修复颅骨、脑膜和腹膜；制作假牙、人工心脏部件、脑止血夹；以及医疗仪器、人工假肢等[9-11]。根据目前大量的临床治疗记录和相实验，钛及钛合金被视为最理想的生物医用金属材料，使金属植入体在有了更为优秀的发展前景，成为继不锈钢和钴基合金之后第三代生物医料。图 1-1 为医用钛合金的部分应用。

晶体结构,金属性能

图 1-2 α-Ti 和 β-Ti 的晶体结构Fig. 1-2 Crystal structure of α-Ti and β-Ti当温度为 20℃时，α-Ti 密度约为 4.51g/cm3，温度为 900℃时 β-Ti 的密4.32g/cm3，轻金属和重金属的分界点为 5g/cm3，所以钛为一种较重的轻钛具有良好的塑性。其硬度较高，约为铝硬度的两倍，但钛的密度只有一半左右。钛无论在低温环境还是在高温环境中的力学特性都十分优秀钛的机械性能依然优秀，仍保持着十分良好的韧性与塑性和较高的强度十分理想的低温容器材料。而且当温度高达 550~660℃时，钛仍具有优度。除此之外，金属钛的线胀系数比较低，热导率小于铁的 25%和导电仅为铜的 3.1%）。钛与常见金属性能的比较列于表 1-1：表 1-1 钛与常见金属性能的比较Table 1-1 Comparison of properties of titanium and common metals钛铝铁铜镁

钛合金,添加元素

钛还具有良好的抗阻尼能力，在受到机械振动以及电振动时，其自身震动衰减的时间较长。由于钛具有质量轻、抗高温、抗冲击振动、无毒无磁等性能，是一种优质的轻型耐腐蚀材料和新兴的生物医用材料，在医疗设备、汽车等民生领域以及航空、航天等军工领域有着广泛的应用[16,17]。1.2.2 钛合金中的添加元素钛的合金化为通过加入其他的添加元素和后续的手段（加工工艺、热处理等）来研发和制造出新的钛合金，常见的钛合金如图 1-3 所示。通过钛的合金化提升加强合金的性能一直都是科研领域的研究热点。对于钛合金的开发过程首先需要思考的问题是添加元素种类的选择和合金的设计。在加入不同添加元素之后，钛合金会发生热处理强化、固溶强化、提升合金的钝化范围、抗腐蚀性能以及相变点的提高或降低等变化。由于添加不同的元素将改变钛元素同素异构转变的温度，以此将添加元素主要分为 3 类：中性元素、α 相稳定元素、β 相稳定元素。

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