电子束增材制造生物医用Ti-6Al-4V合金表面抛光工艺的研究
发布时间：2021-11-27 10:31
钛合金凭借优良的力学性能、耐蚀性能和生物相容性,在医用植入材料领域应用广泛,因弹性模量远高于人体骨骼,容易引起“应力屏蔽”现象,导致植入体松动。采用电子束增材制造技术制备多孔Ti-6Al-4V可有效降低弹性模量,但表面不可避免的会产生因“粉末黏附”和“球化效应”而导致的未熔融颗粒,使构件粗糙度增大。因此,本文通过研究化学抛光、电化学抛光以及化学磨粒流抛光对电子束增材制造Ti-6Al-4V合金粗糙度、厚度减少量和材料（重量）去除率（MRR）的影响,获得适宜的抛光工艺,并研究了电化学和疲劳行为。研究发现,在氢氟酸溶液中加入适量硝酸可以降低Ti-6Al-4V合金厚度减少量和MRR,同时防止氢脆的发生。以氢氟酸和硝酸为溶液进行化学抛光后,合金表面平坦光滑,无未熔融颗粒存在,粗糙度可达1.651μm。合适的化学抛光工艺参数为5%氢氟酸、10%硝酸和85%水的溶液下抛光5.5h;电化学抛光较合适的工艺参数为4%氢氟酸、8%硝酸和88%水的溶液下抛光3h,抛光后的粗糙度可达5.515μm;化学磨粒流抛光较合适的抛光工艺参数为5.5%氢氟酸、11%硝酸和83.5%水的溶液抛光4h,抛光后粗糙度可达3....
【文章来源】：烟台大学山东省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钛合金增材制造设备（a）与粉材（b）
烟台大学硕士学位论文 8 人使用乙二醇与氯化钠溶液对钛合金进行电化学抛光，将表面粗糙度降低至2.341nm[37]。徐博达等人还尝试在电化学抛光中加入磁场，进一步提高抛光效率[38]。图1.2电化学抛光截面图[34]Fig.1.2Sketchmapofelectrochemicalpolishing1.4.2化学抛光化学抛光是指将需要抛光的样品放入抛光溶液中后通过形成电极电位差的方式优先对阳极部分进行抛光的电化学反应。主要过程包括预处理、抛光和抛光后处理三部分，通过预处理主要是为了去除表面油渍杂质，保证实验的精确性；抛光过程中要让样品或腐蚀液保持晃动以保证抛光的均匀，通过调整抛光时间、抛光溶液配比、抛光温度等方式达到最好的抛光效果。抛光后对样品进行反复冲洗，避免残留的腐蚀液对样品过度腐蚀。由于化学抛光本身也属于电化学反应，研究者则普遍认为化学抛光与电化学抛光的粘膜机理是相同的，化学抛光相比于其他抛光方式，体系简单，影响因素少且对样品形状要求低是它最大的优势[39]。尽管化学抛光已经有多年的历史，但是对于钛的化学抛光并不常见。曾东等人采用氢氟酸：硝酸为1：1的抛光溶液对口腔铸钛进行化学抛光，将表面粗糙度降到
烟台大学硕士学位论文 9 0.092μm[40]。张肖炎等人采用NH4F、HNO3和尿素作为腐蚀液对钛合金进行化学抛光，有效控制了化学抛光氢脆现象的发生[41]。更多的学者通过将化学抛光与其他抛光方式结合，采用化学机械抛光（CMP）[42-44]和化学磨粒流抛光对合金进行腐蚀，并取得显著成效。化学类抛光对于钛合金的粗糙度降低效果明显，但增材制造多孔钛合金形状复杂，表面粗糙度较高，不能使用砂纸打磨处理，在抛光的过程中为了得到更低的粗糙度可能需要的抛光时间较长。腐蚀过程中优先腐蚀凸起部分不代表凹陷部分能几乎不被腐蚀，但我们必须保证金属构件的力学性能不被影响，因此我们评价抛光效果时既要考虑粗糙度，也要考虑对构件尺寸和力学性能的影响。图1.3是电子束增材制造多孔钛合金原始状态与化学抛光后的表面形貌。图1.3电子束增材制造多孔合金原始状态（a）与化学抛光后（b）的表面形貌Fig.1.3SurfacemorphologiesofthealloysbyEBMbefore(a)andafter(b)chemicalpolishing1.4.3磨粒流抛光磨粒流抛光（AbrasiveFlowMachining，AFM）是上世纪70年代发展起来的新型抛光方式，主要是通过高速流动的液体带动微小且具有粘弹性的半固体颗粒反复冲击待加工的样品从而得到抛光效果。磨粒冲击掉的构件表面粒子也将随着液体流走，不会对构件产生影响。对磨粒流抛光来说，磨粒球的尺寸、性能的选择以及液体的流速是最大的影响因素。磨粒流抛光一般是对粗糙度在1μm以下的样品进行抛ab
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国生物医用材料产业现状、机遇和新模式[J]. 王本力,张镇. 新材料产业. 2019(12)
[2]生物医用材料发展现状与趋势展望[J]. 周淑千. 新材料产业. 2019(07)
[3]活性屏等离子体源渗氮工艺特性及传质机制[J]. 李广宇,雷明凯. 中国表面工程. 2018(05)
[4]三维表面粗糙度的表征和应用[J]. 何宝凤,魏翠娥,刘柄显,丁思源,石照耀. 光学精密工程. 2018(08)
[5]Ni-Ti合金电化学抛光性能研究[J]. 聂云聪,李志永,严凤洁,李丽,郑光明. 有色金属工程. 2018(04)
[6]植入性医疗器械的研究进展[J]. 尹玉霞,李茂全,周超,李海心,王鲁宁,张海军. 中国医疗设备. 2018(07)
[7]金属医疗器械化学抛光研究进展[J]. 张军伟,周超,侯文博,尹玉霞,王鲁宁,张海军. 电镀与涂饰. 2018(11)
[8]3D打印技术研究现状和关键技术[J]. 张学军,唐思熠,肇恒跃,郭绍庆,李能,孙兵兵,陈冰清. 材料工程. 2016(02)
[9]高效组合材料设计方法在生物钛合金领域的应用[J]. 张兴东,刘立斌,王建丽,熊翔. 中国有色金属学报. 2014(11)
[10]生物医用钛合金的研究进展[J]. 张文毓. 化学与黏合. 2014(05)
博士论文
[1]含Ca、Nd可降解镁合金显微组织、力学性能、膜层形成机制和降解机理研究[D]. 张源.北京科技大学 2019
[2]超声滚压对Ti-6Al-4V合金高低周疲劳性能影响研究[D]. 毛淼东.华东理工大学 2018
[3]化学辅助软磨粒流抛光技术研究[D]. 马宝丽.浙江工业大学 2013
硕士论文
[1]镍钛合金磁场电化学复合抛光试验研究与表面性能分析[D]. 徐博达.吉林大学 2019
[2]心血管支架电化学抛光试验及表面性能研究[D]. 严凤洁.山东理工大学 2019
[3]钛系生物医用高熵合金的显微组织与性能研究[D]. 胡世文.兰州理工大学 2019
[4]钝性金属材料的磨粒高速流动电化学机械复合光整加工方法研究[D]. 王金山.南京航空航天大学 2019
[5]3D打印抗菌含铜钛合金的体外生物相容性研究[D]. 李改明.中国医科大学 2019
[6]生物医用镁锌合金微管显微组织和性能研究[D]. 宋奎.扬州大学 2018
[7]微小孔的磨粒流抛光工艺分析与研究[D]. 张雪瑶.长春理工大学 2017
[8]两种生物医用钛合金的纳米力学性能及腐蚀与磨损行为研究[D]. 卢盼娜.太原理工大学 2016
[9]钛电化学抛光及其阳极氧化膜的腐蚀行为研究[D]. 钱备.大连理工大学 2011
[10]梯度多孔Ti-Mg基生物复合材料的制备与性能研究[D]. 张金龙.南京航空航天大学 2011
本文编号：3522101
【文章来源】：烟台大学山东省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钛合金增材制造设备（a）与粉材（b）
烟台大学硕士学位论文 8 人使用乙二醇与氯化钠溶液对钛合金进行电化学抛光，将表面粗糙度降低至2.341nm[37]。徐博达等人还尝试在电化学抛光中加入磁场，进一步提高抛光效率[38]。图1.2电化学抛光截面图[34]Fig.1.2Sketchmapofelectrochemicalpolishing1.4.2化学抛光化学抛光是指将需要抛光的样品放入抛光溶液中后通过形成电极电位差的方式优先对阳极部分进行抛光的电化学反应。主要过程包括预处理、抛光和抛光后处理三部分，通过预处理主要是为了去除表面油渍杂质，保证实验的精确性；抛光过程中要让样品或腐蚀液保持晃动以保证抛光的均匀，通过调整抛光时间、抛光溶液配比、抛光温度等方式达到最好的抛光效果。抛光后对样品进行反复冲洗，避免残留的腐蚀液对样品过度腐蚀。由于化学抛光本身也属于电化学反应，研究者则普遍认为化学抛光与电化学抛光的粘膜机理是相同的，化学抛光相比于其他抛光方式，体系简单，影响因素少且对样品形状要求低是它最大的优势[39]。尽管化学抛光已经有多年的历史，但是对于钛的化学抛光并不常见。曾东等人采用氢氟酸：硝酸为1：1的抛光溶液对口腔铸钛进行化学抛光，将表面粗糙度降到
烟台大学硕士学位论文 9 0.092μm[40]。张肖炎等人采用NH4F、HNO3和尿素作为腐蚀液对钛合金进行化学抛光，有效控制了化学抛光氢脆现象的发生[41]。更多的学者通过将化学抛光与其他抛光方式结合，采用化学机械抛光（CMP）[42-44]和化学磨粒流抛光对合金进行腐蚀，并取得显著成效。化学类抛光对于钛合金的粗糙度降低效果明显，但增材制造多孔钛合金形状复杂，表面粗糙度较高，不能使用砂纸打磨处理，在抛光的过程中为了得到更低的粗糙度可能需要的抛光时间较长。腐蚀过程中优先腐蚀凸起部分不代表凹陷部分能几乎不被腐蚀，但我们必须保证金属构件的力学性能不被影响，因此我们评价抛光效果时既要考虑粗糙度，也要考虑对构件尺寸和力学性能的影响。图1.3是电子束增材制造多孔钛合金原始状态与化学抛光后的表面形貌。图1.3电子束增材制造多孔合金原始状态（a）与化学抛光后（b）的表面形貌Fig.1.3SurfacemorphologiesofthealloysbyEBMbefore(a)andafter(b)chemicalpolishing1.4.3磨粒流抛光磨粒流抛光（AbrasiveFlowMachining，AFM）是上世纪70年代发展起来的新型抛光方式，主要是通过高速流动的液体带动微小且具有粘弹性的半固体颗粒反复冲击待加工的样品从而得到抛光效果。磨粒冲击掉的构件表面粒子也将随着液体流走，不会对构件产生影响。对磨粒流抛光来说，磨粒球的尺寸、性能的选择以及液体的流速是最大的影响因素。磨粒流抛光一般是对粗糙度在1μm以下的样品进行抛ab
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国生物医用材料产业现状、机遇和新模式[J]. 王本力,张镇. 新材料产业. 2019(12)
[2]生物医用材料发展现状与趋势展望[J]. 周淑千. 新材料产业. 2019(07)
[3]活性屏等离子体源渗氮工艺特性及传质机制[J]. 李广宇,雷明凯. 中国表面工程. 2018(05)
[4]三维表面粗糙度的表征和应用[J]. 何宝凤,魏翠娥,刘柄显,丁思源,石照耀. 光学精密工程. 2018(08)
[5]Ni-Ti合金电化学抛光性能研究[J]. 聂云聪,李志永,严凤洁,李丽,郑光明. 有色金属工程. 2018(04)
[6]植入性医疗器械的研究进展[J]. 尹玉霞,李茂全,周超,李海心,王鲁宁,张海军. 中国医疗设备. 2018(07)
[7]金属医疗器械化学抛光研究进展[J]. 张军伟,周超,侯文博,尹玉霞,王鲁宁,张海军. 电镀与涂饰. 2018(11)
[8]3D打印技术研究现状和关键技术[J]. 张学军,唐思熠,肇恒跃,郭绍庆,李能,孙兵兵,陈冰清. 材料工程. 2016(02)
[9]高效组合材料设计方法在生物钛合金领域的应用[J]. 张兴东,刘立斌,王建丽,熊翔. 中国有色金属学报. 2014(11)
[10]生物医用钛合金的研究进展[J]. 张文毓. 化学与黏合. 2014(05)
博士论文
[1]含Ca、Nd可降解镁合金显微组织、力学性能、膜层形成机制和降解机理研究[D]. 张源.北京科技大学 2019
[2]超声滚压对Ti-6Al-4V合金高低周疲劳性能影响研究[D]. 毛淼东.华东理工大学 2018
[3]化学辅助软磨粒流抛光技术研究[D]. 马宝丽.浙江工业大学 2013
硕士论文
[1]镍钛合金磁场电化学复合抛光试验研究与表面性能分析[D]. 徐博达.吉林大学 2019
[2]心血管支架电化学抛光试验及表面性能研究[D]. 严凤洁.山东理工大学 2019
[3]钛系生物医用高熵合金的显微组织与性能研究[D]. 胡世文.兰州理工大学 2019
[4]钝性金属材料的磨粒高速流动电化学机械复合光整加工方法研究[D]. 王金山.南京航空航天大学 2019
[5]3D打印抗菌含铜钛合金的体外生物相容性研究[D]. 李改明.中国医科大学 2019
[6]生物医用镁锌合金微管显微组织和性能研究[D]. 宋奎.扬州大学 2018
[7]微小孔的磨粒流抛光工艺分析与研究[D]. 张雪瑶.长春理工大学 2017
[8]两种生物医用钛合金的纳米力学性能及腐蚀与磨损行为研究[D]. 卢盼娜.太原理工大学 2016
[9]钛电化学抛光及其阳极氧化膜的腐蚀行为研究[D]. 钱备.大连理工大学 2011
[10]梯度多孔Ti-Mg基生物复合材料的制备与性能研究[D]. 张金龙.南京航空航天大学 2011
本文编号：3522101
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