Ti6Al7Nb和Ti6Al4V医用钛合金的热氧化对比研究

论文摘要

本文对Ti6Al7Nb（TAN）和Ti6Al4V（TAV）两种钛合金的热氧化行为进行系统性的研究,通过不同的热氧化条件,对比两种钛合金在空气气氛下表面氧化层的生长规律和性质。采用金相显微镜、X射线衍射法以及维氏硬度计等测试和分析手段对合金的氧化层的厚度、致密度、相组成和表面硬化效果进行表征。利用XPS表面测试方法对合金氧化层最外层（1～5nm）的化学组分和合金元素的价态进行分析,探讨氧化层的形成机理及合金添加元素对氧化层的重要影响。研究表明,热氧化的温度和时间对氧化层的厚度和致密度有重要影响。通常随温度的升高和时间的延长,氧化层的厚度增加但致密度下降。从氧化增重曲线可知,相同条件Ti6Al7Nb表面形成的氧化层更薄,致密度更好,与基体的结合力更强。在800℃及以下温度氧化时,Ti6Al7Nb遵循抛物线氧化动力学规律,而Ti6Al4V在700℃氧化超过36h时其表面氧化速率由直线氧化动力学规律主导。表面硬度测试表明,表面硬度值随加载载荷增加而下降,氧化层对合金有明显的硬化效应,硬化效果随着氧化温度的升高和氧化时间的延长而明显增强。Ti6Al4V表面硬化效果略强于Ti6Al7Nb,但是900℃氧化时,Ti6Al4V合金的表面硬度反而有所下降,二者的表面硬度最大值都是在600℃氧化72h时获得。通过XRD对1h氧化的合金氧化层的相组成进行分析,发现两种合金的表面氧化层主要是由金红石型TiO2组成,不同的是Ti6Al4V合金在600℃氧化时表面出现了锐钛矿型TiO2,而在900℃氧化时则出现了Al2O3相。两种合金在800℃氧化24h时,Al2O3均出现在氧化层中,随着氧化温度的提高和氧化时间的延长,两种合金的氧化层都由金红石型TiO2和Al2O3两相组成。XPS对外层氧化层（1～5nm）分析表明,Ti、Al、Nb均是以最高价态存在,V除了最高价态外还有4价V（稳态）出现。另外Al元素由于拥有最低的氧化还原电势,具有优先氧化性,并主要覆盖在氧化层的最外层。Nb元素有降低氧化层中金属离子扩散速率的作用,其本身并不能改变氧化机制,但可以使氧化层更具保护性;V元素在高温时氧化严重,并形成低熔点氧化物,在温度较高时会发生恶性氧化,极大地降低了Ti6Al4V合金在高于700℃时氧化层的抗氧化能力。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 生物医用金属材料
• 1.2.1 医用不锈钢
• 1.2.2 医用钴基合金
• 1.2.3 医用贵金属
• 1.3 钛及钛合金
• 1.3.1 纯钛
• 1.3.2 钛合金
• 1.3.3 Ti6Al4V合金
• 1.3.4 Ti6Al7Nb合金
• 1.3.5 形状记忆合金
• 1.4 生物相容性
• 1.5 材料的表面改性
• 1.5.1 表面改性方法
• 1.5.2 表面改性方法的分类和特点
• 1.6 表面分析方法的原理及应用
• 1.6.1 表面分析方法
• 1.6.2 表面分析的应用
• 1.6.3 XPS和AES表面分析的特点
• 1.7 本论文研究的意义与内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 样品预处理
• 2.3 热氧化方案
• 2.4 实验设备
• 2.5 定量计算原理
• 第3章 氧化动力学规律及氧化层的性质
• 3.1 前言
• 3.2 质量增重曲线
• 3.3 氧化动力学及其规律
• 3.4 氧化层厚度与致密度的变化
• 3.5 表面硬度测试
• 3.6 本章小结
• 第4章 表面氧化层的组成分析及氧化机理的探讨
• 4.1 前言
• 4.2 表面相组成分析
• 4.3 表面化学成分
• 4.4 氧化层中合金元素的价态分析
• 4.5 合金元素的氧化还原电势对氧化膜的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 作者简历