Ti-Nb合金的腐蚀性能及生物活性研究

论文摘要

Ti-Nb合金不仅具有较低的弹性模量,而且在一定成分区间还会表现出形状记忆效果,因而,作为医用植入材料具有很大的应用潜力。近年来,对该合金的成分、相组成、力学性能及形状记忆特性均做了较为深入的研究。作为医用植入材料,不仅需要良好的力学性能,还需要有优良的抗腐蚀性能和生物相容性。因此,本论文在充分认识Ti-Nb合金的合金元素及热处理工艺与显微组织及力学性能关系的基础上,研究了Nb含量及显微组织对合金在NaCl溶液中的腐蚀行为的影响,并对不同Nb含量的Ti-Nb合金在人体模拟液中的生物活性进行了评估。同时,用粉末冶金法制备了Ti-35Nb泡沫材料,研究了表面活性处理时的强碱浸蚀作用对其力学性能的影响。研究结果表明,Nb含量对Ti-Nb合金的显微组织有很大影响,固溶状态下,Nb含量为25-45wt.%的Ti-Nb合金主要由β和α′′相组成,Nb含量超过30wt.%时,合金主要由β相组成,而当Nb含量降低到25wt.%时,合金主要由α′′相组成。Nb含量及显微组织对Ti-Nb合金的力学性能会产生显著影响,随着Nb含量的增加,硬度值先减小后增加,Ti-40Nb合金的硬度达到最小值。而对于Ti-25Nb合金,当时效温度为400℃时,硬度值明显增加,而当时效温度进一步提高到500℃时,合金的硬度有所降低。电化学腐蚀实验结果表明,在NaCl溶液中,Ti-Nb合金表现出较高的抗腐蚀性能。Nb含量及显微组织对合金的抗腐蚀性能有一定的影响,具体表现在随Nb含量的增加,合金的抗腐蚀能力增强,Ti-35Nb合金表现出最佳的抗腐蚀性能。而对于Ti-25Nb合金来说,单相马氏体α′′组织较两相组织具有更优的抗腐蚀性能。Nb含量对Ti-Nb合金的生物活性有很大的影响,经碱处理和热处理后的Ti-25Nb合金在人体模拟液中浸泡3周后可得到致密均匀的磷酸钙沉积层,表现出良好的的生物活性,而随着Nb含量的增加,合金表面形成磷酸钙的能力下降。碱处理和热处理后能大幅度降低多孔Ti-Nb合金的强度,其原因在于强碱对多孔材料的孔壁腐蚀损伤较大,其腐蚀缺陷与孔壁的尺度相当,从而引起多孔材料宏观强度的降低,并表现出一定的脆性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 生物医用材料概述
• 1.2 金属生物医用材料的发展概述
• 1.3 钛及钛合金的发展概述
• 1.4 钛及钛合金的表面改性
• 1.5 Ti-Nb基合金的研究现状
• 1.6 选题意义及主要研究内容
• 1.6.1 选题意义
• 1.6.2 研究工作的主要内容
• 第2章 Ti-Nb合金的显微组织及其力学性能
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 合金的熔炼
• 2.2.2 合金的热处理工艺
• 2.2.3 XRD分析
• 2.2.4 硬度测试
• 2.3 实验结果与分析
• 2.3.1 Ti-Nb合金的XRD分析
• 2.3.2 Ti-Nb合金的硬度测试分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 Ti-Nb合金的耐腐蚀性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 电化学腐蚀原理
• 3.2.2 实验材料与电化学腐蚀方法
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 Nb含量对Ti-Nb合金耐腐蚀性能的影响
• 3.3.2 组织对Ti-Nb合金耐腐蚀性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 Nb含量对Ti-Nb合金的生物活性的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 Ti-Nb合金的碱处理及热处理
• 4.3.2 Ti-Nb合金的模拟体液培养
• 4.4 本章小结
• 第5章 表面碱处理及热处理对Ti-Nb泡沫力学性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.3 实验结果与分析
• 5.3.1 Ti-35Nb多孔材料的显微组织
• 5.3.2 Ti-35Nb泡沫的力学性能测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A：攻读硕士学位期间发表的学术论文