纯钛与Ti-6Al-4V合金近净成形研究

论文摘要

钛与钛合金具有无毒、无磁、耐蚀性好、弹性模量低、质轻以及优异的生物相容性等优点,在航空航天尤其是医学等领域有着巨大的市场潜力。常规的钛与钛合金的成形方法有模压成形、注射成形、等静压成形、爆炸成形等,由这些方法制得的坯体常常需要切屑等后续处理,不仅降低了工作效率而且增加了生产成本。采用近净成形技术可以很好地解决这一问题,它基本不需要后续加工处理,具有工艺步骤短、产品质量高且生产成本较低等特点,是值得大力研发的一种粉末冶金技术。基于此,本课题的研究目的在于利用近净成形技术制得符合生物医学性能要求的纯钛与Ti-6A]-4V合金,拟通过试验研究得出纯钛与Ti-6Al-4V合金近净成形的适宜工艺参数,并分析导致近净成形坯体出现裂纹的原因。传统的粉末冶金方法通常采用烧结钛及钛合金粉末制取钛产品,本试验以TiH2粉与Al-V合金元素为原料,探讨近净成形工艺制备纯钛与Ti-6Al-4V合金。用混合元素法（BE）,压制成形,同时完成氢化钛的脱氢和粉末的烧结,可直接制得致密度接近100%的钛合金制品,不仅缩减了工艺步骤、降低了生产成本,而且其性能也达到或超过了锻造机加工产品性能,为扩试打下坚实的基础。试验研究了以TiH2为原料制备纯钛与Ti-6Al-4V合金近净成形工艺中的混粉、压制、烧结、脱氢等过程中各工艺参数对制品性能的影响,分析了不同烧结温度下烧结坯孔隙形貌、微观组织、断口形貌的变化规律以及压力、烧结温度、保温时间对烧结坯力学性能的影响,确定了以TiH2为原料制备纯钛与Ti-6Al-4V合金近净成形工艺的适宜工艺参数。通过成形试验得出：（1）粒度大的粉末比粒度小的粉末更易成形；确定了成形的适宜工艺参数：压力为360MPa,升压速率为4MPa/S,降压速率为2MPa/S,保压时间为150S。（2）通过对Ti-H系状态图、TG-DSC曲线的分析,并结合试验中温度、时间对脱氢率的影响,得出了在脱氢温度为950℃、保温时间为4小时的情况下,氢基本可以完全脱除。（3）由烧结温度、升温速率及保温时间对致密度的关系曲线对比得出适宜烧结温度为1200℃,适宜保温时间为4小时。（4）近净成形坯体的径向密度分布规律为：边缘密度高于中心密度,从外至内密度呈下降趋势；轴向密度分布规律为：中部的密度高于底部和顶部的密度。（5）坯体出现裂纹的主要原因为：粉末特性多样化、坯体内部气体未除尽、脱模、添加剂使用不当以及弹性后效效应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 钛及钛合金
• 1.1.1 钛的发现及特征
• 1.1.2 钛矿资源的分布特点
• 1.1.3 钛合金及其特点
• 1.1.4 钛合金的应用
• 1.2 生物材料与医用钛合金
• 1.2.1 生物材料概述
• 1.2.2 生物相容性与生物粘附性
• 1.2.3 医用钛及其合金研究进展
• 1.3 钛及钛合金粉体制备
• 1.3.1 氢化脱氢法
• 1.3.2 还原法
• 1.3.3 电解法和机械粉碎法
• 1.4 近净成形技术
• 1.4.1 近净成形简介
• 1.4.2 冷等静压成形
• 1.4.3 热等静压成形
• 1.5 论文研究的意义及内容
• 1.5.1 论文研究意义
• 1.5.2 论文研究的主要内容
• 第二章 钛及钛合金近净成形工艺设计方案
• 2.1 试验原料及设备
• 2.1.1 试验原料
• 2.1.2 试验设备
• 2.2 钛与钛合金近净成形方案设计
• 2.2.1 钛及钛合金近净成形工艺路线
• 2.2.2 氢化钛粉近净成形制备人体骸关节与人工骨骼试验
• 2.3 试验方案设计
• 2.3.1 粉体混合
• 2.3.2 粉体成形
• 2.3.3 压坯烧结脱氢
• 2.4 实验分析方法
• 2.4.1 微观组织结构分析
• 2.4.2 DTA-TG分析
• 2.4.3 密度测定
• 2.4.4 收缩率测定
• 2.4.5 有效孔隙度
• 2.4.6 力学性能测定
• 2.5 小结
• 第三章 混粉与成形
• 3.1 前言
• 3.2 混粉
• 3.2.1 粉末混合的均匀程度
• 3.2.2 不同混粉装置对粉末粒度及形貌变化的影响
• 3.2.3 不同混粉时间对粉末粒度及形貌变化的影响
• 3.3 成形
• 3.3.1 不同粒度对压坯致密度的影响
• 3.3.2 压制压力对压坯致密度的影响
• 3.3.3 压制压力对压坯孔隙度的影响
• 3.3.4 升压速率与降压速率对压坯致密度的影响
• 3.3.5 保压时间对压坯致密度的影响
• 3.4 小结
• 第四章 烧结脱氢
• 4.1 前言
• 4.2 脱氢制度
• 4.2.1 钛氢系状态图
• 2粉末放氢特性分析'>4.2.2 TiH₂粉末放氢特性分析
• 4.2.3 温度、时间对脱氢效率的影响
• 4.3 烧结工艺
• 4.3.1 Ti-6Al-4V合金烧结合金化可行性分析
• 4.3.2 烧结过程中各因素对烧结坯致密度的影响
• 4.3.3 烧结坯微观结构分析
• 4.4 烧结坯力学性能分析
• 4.4.1 不同成形压力对烧结坯力学性能的影响
• 4.4.2 不同烧结温度对烧结坯力学性能的影响
• 4.4.3 不同烧结时间对烧结坯力学性能的影响
• 4.5 小结
• 第五章 近净成形坯体密度分布及裂纹成因分析
• 5.1 前言
• 5.2 近净成形坯体密度分布规律
• 5.2.1 压坯的径向密度分布规律
• 5.2.2 压坯的轴向密度分布规律
• 5.3 近净成形坯体裂纹成因分析
• 5.3.1 粉末特性多样化
• 5.3.2 压坯内部残余气体未排尽
• 5.3.3 弹性后效导致裂纹的产生
• 5.3.4 添加剂使用不当造成的裂纹
• 5.3.5 脱模过程中产生的裂纹
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录B 攻读硕士期间参与的科研项目