钛系生物医用高熵合金的显微组织与性能研究

发布时间：2020-10-02 09:41

　　 高熵合金(High Entropy Alloys,HEAs)自2004年正式提出后,因其高强度、高韧性、高耐磨、高耐蚀等特点被誉为近年来最具潜力的新材料之一。经过短短十几年的发展,高熵合金的设计不再局限于五元及五元以上、等摩尔原子比,并向着低主元、非等原子比拓展。将其优良的性能引入生物医用金属材料,这为本研究提供了价值思路。本文在生物医用钛合金基础上,设计三等原子比高熵合金TiZrNb、Fe元素添加高熵合金TiZrNbFe_x(x,0.1~0.5)、非等原子比高熵合金Ti_xZr_yNb_zFe_((100-x-y-z)),旨在获得高强度、低弹性模量的生物安全植入金属材料。本文借助高熵合金固溶体判据公式,利用真空电弧熔炼炉将每系列合金熔至均匀,通过X射线衍射(XRD)光学显微镜(OM)、电子显微镜及能谱(SEM+EDS)、力学实验(室温压缩、硬度、拉伸实验)、电化学实验,分别对合金的物相组成、力学实验以及生物耐蚀性进行分析。实验表明,合金TiZrNb的晶体结构由大量bcc1与少量bcc2相构成,这表明bcc相具有良好的室温稳定性。将Fe元素逐量加入TiZrNb体系后,合金TiZrNbFe_x的晶体结构由双bcc1+bcc2相转变为单bcc相,当x0.3时,合金中出现Fe_2Ti、Fe_2Zr、Fe_2Nb金属间相及单质相。而对于合金Ti_xZr_yNb_zFe_((100-x-y-z)),虽然合金的热力学参数符合固溶体判据,但显微组织中除简单的bcc相外,部分合金中还出现了上述金属间相与未知相。甚至由于晶格常数的减小及晶体取向的偏转,bcc的最强峰还发生了变化。根据实际合金中的物相,当δ5.6,Δx1.5,ΔH_(mix)-0.6时,该Ti系合金易于形成固溶体。对于力学实验,TiZrNb合金的压缩塑性超过80%,拉伸屈服强度在910MPa左右,拉伸塑性超过16.5%,硬度值为231HV。随着Fe元素的添加,TiZrNbFe_x合金的塑性逐渐降低,而压缩屈服强度增加,断裂强度最高达到1820 MPa,硬度则从340 HV增加到425 HV。而对于Ti_xZr_yNb_zFe_((100-x-y-z))系列合金,除Ti_(50)Zr_(30)0Nb_(15)5Fe_5合金外,随着混合熵的减小,合金的屈服强度由1100MPa降至900MPa,压缩塑性由10%增至30%,硬度则在380HV~300HV范围内变化。特别地,上述三种系列合金都具有超低弹性模量,且在人体骨弹性模量(10-30 GPa)范围之内。电化学测试表明,TiZrNb合金的耐蚀性好于TC4(Ti6Al4V),TiZrNbFe_x体系中大部分合金的腐蚀电流密度小于TC4。而随着熵值的增加,Ti _x Zr_yNb_zFe_((100-x-y-z))的腐蚀电流密度逐渐增加,大部分合金的耐蚀性差于TC4合金。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TG139;R318.08
【部分图文】：

钛系生物医用高熵合金的显微组织与性能研究 骨修 复[ 2 2 ]。 但 是 植 入材 料 的 无 菌 处 理 一直 是 制 约 诸 如植 入器 械 进入临 床的 最后 一 道防线 ，所 以直 到 19 世 纪 ter 在无 菌 技术领 域的 突破 ， 植入金 属材 料开 始 进入临 床 着 生 物 医 用 金 属 植 入 材 料 的 不 断 研 发 ， 针 对 头 盖 骨 、 、 肋 骨、 髋 关节 到 腿 骨 （ 图 1.1）， 多 样 化 的 可 替换 或 已 经 用 于 临 床 。 且 随 着 对 人 们 对 金 属 植 入 材 料 的 大 量 与 人 体 更 相 容 的 材 料 已 成 为 各 大 科 研 机 构 以 及 医 疗 器

钛系生物医用高熵合金的显微组织与性能研究 = = 尔 兹曼 函 数， W 为混 乱度 ， R 为气 体常数 ， N 为等摩 尔种 观点 ，认 为 高熵合 金必 须得 到 单相固 溶体 （如 图 1.2）子 的随 机 排列达 到无 序结 构 ，各 个原 子的 数目 必须一 致或

图 1.2 高 熵 合 金 的 晶 体 模 型 ：（ a） 体 心 立 方 （ b） 面 心 立 方 （ c） 密 排 六 方高熵合 金的 特征 ：（ 1） 热 力 学 上 的 高 熵 效 应 ： 高 熵 效 应 即 S≥1.5R， 此 时 合 金 更 倾 向形成简 单固 溶 体 FCC、BCC 或 HCP 相 固溶体。这与 传统 的合金 化概 念同，随 着更多 的主 元素的 添加，合金 并没有 依照 吉布 斯 相率原 理（ P=C+形成最 多相 以及 中 间相， 这表 明高 混 合熵使 组元 间的 相 容性增 大。（2）动力 学上 的扩 散迟缓 效应 ：扩散 迟缓效 应是 由于 合 金中不 同原之 间 相 互 作 用 及 晶 格 畸 变 造 成 的 ， 原 子 通 过 空 位 机 制 扩 散 过 程 中 ， 由不同原 子的 熔点 和 键强不 同 ，活 动力 较强的 原子 更容 易 扩散到 空缺 位若 填 补 空 位 后 能 量 降 低 ， 则 原 子 难 以 扩 散 ， 若 能 量 升 高 ， 则 难 以 翻 越垒，从而 造成 扩散 速率与 相变 速率 的 降低[ 5 8 ]。图 1.3(a) 是不同 合金 中子 扩 散 系 数 的 比 较 ， 从 图 可 知 原 子 扩 散 系 数 的 大 小 依 次 为 ： 低 熵 合 金中熵合 金＞ 高熵 合 金[ 5 9 ]。

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本文编号：2832243