新型医用高强低弹钛合金研究

论文摘要

β型（近β、亚稳定β）钛合金具有良好的生物相容性,在固溶处理条件下有较低的弹性模量（<100GPa）,有望成为下一代生物医用金属材料。其中Ti-Mo-Zr-Fe系合金由于其优良的综合性能受到广泛关注。本文首次采用密度泛函赝势法对二元bcc结构钛合金的晶胞参数、弹性模量（弹性系数、体积弹性模量）等进行了模拟计算。采用Material Studio 3.0软件的CASTEP量子力学模块计算了Zr、Hf、Ta、Nb、V、Cr、Mn、Fe和Mo元素替换bcc结构钛16原子超元胞模型中心原子后的晶格参数和弹性模量。计算表明,上述合金元素都不同程度地提高bcc结构Ti的弹性模量,Mo、Fe的固溶强化效果高于其它合金元素。用虚拟晶体概念对Ti-Mo-Zr-Fe合金的成分优化进行了辅助计算,表明Mo和Zr在给定的成分范围（9.6113.70wt.%Mo,3.717.59wt.%Zr）内保持中等含量、Fe在给定的成分范围（0.912.74wt.%Fe）内保持最高含量,合金可能具有最低的弹性模量。用非自耗电弧熔炼和EDS分析手段,研究了熔炼参数对合金成分均匀性的影响,指出合金元素在熔池里的均匀分布是保证铸锭化学成分均匀的重要前提。用一维半无限扩散模型估计了合金成分均匀所需的熔池保持熔融状态的时间,用强迫对流模型计算了合金反复熔炼次数对成分均匀性的影响,对合金熔炼次数的确定有一定的指导意义。以模拟计算和试验验证相结合,确认了合金最佳成分组合,并扩展其成分范围,自行设计了Ti-10Mo-13Zr和Ti-7.5Mo-6Zr-2.5Fe两种新合金,力学性能测试表明这两种合金都达到了高强度、低弹性模量的预期目标。而Ti-7.5Mo-6Zr-2.5Fe合金的强度和弹性模量均比商用Ti-11.5Mo-6Zr-2Fe合金的高,由于其弹性模量仍然显著低于Ti-6Al-4V和Ti-6Al-4V ELI合金,因此这是一个具有应用前景的自主研制的医用高强低弹钛合金。以Ti-11.5Mo-6Zr-2Fe和自主研制的Ti-7.5Mo-6Zr-2.5Fe合金为主,研究了Ti-Mo-Zr-Fe系合金的变形工艺,热处理工艺、常规力学性能与相变的关系,以及动态加热和降温过程中的相析出规律。本文提出了固定保温时间而改变加热温度测试晶粒尺寸并计算晶粒长大激活能的方案,并计算了Ti-11.5Mo-6Zr-2Fe和Ti-7.5Mo-6Zr-2.5Fe的β晶粒长大激活能。热处理试验表明,该类合金在400℃时效析出ω相,480℃和560℃时效析出α相,为保证β合金的低弹性模量优势,应使合金尽量避免在使用状态存在第二相,尤其是ω相。用扫描电镜（SEM）分析了各种平均晶粒尺寸试样的静态拉伸断口,随着晶粒尺寸的增加,断裂机制发生变化。平均晶粒尺寸较小时宏观断口为典型杯-锥型,微观形貌为均匀的等轴韧窝,韧窝中存在形核颗粒和空洞;随晶粒尺寸增加,依次出现韧窝加解理的混合断裂类型和以解理和沿晶断裂为主、含少量韧窝的混合断裂类型。本文利用现代分析手段-纳米压入技术,研究了Ti-Mo-Zr-Fe合金不同压入深度与压入模量和硬度的关系,表明压入模量和硬度有随最大压入深度变化的压痕尺寸效应。热处理对压入模量和硬度的影响研究表明,当材料中有ω相存在时,硬度和模量都会显著增大;随热处理温度的提高,ω相消失,而提高模量的α相数量也越来越少,从而硬度和模量越来越低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 生物医用钛合金研究的意义
• 1.2 生物医用金属材料发展简介
• 1.3 医用钛合金研究现状
• 1.3.1 主要的医用钛合金
• 1.3.2 医用钛合金的力学性能
• 1.3.3 医用钛合金的化学稳定性
• 1.3.4 医用钛合金的生物学评价
• 1.4 医用钛合金研究存在的问题和发展趋势
• 1.4.1 存在的问题
• 1.4.2 发展趋势和建议
• 1.5 本文工作
• 本章参考文献
• 第二章 试验方法
• 2.1 材料制备
• 2.2 模量和硬度的纳米压入测试
• 2.3 X-射线衍射分析和DSC 试验
• 2.4 金相观察、SEM 和TEM 试验
• 2.5 拉伸性能试验
• 第三章 β钛合金弹性模量的第一原理计算
• 3.1 引言
• 3.2 基本原理
• 3.2.1 多粒子系统的薛定谔方程与绝热近似
• 3.2.2 密度泛函理论
• 3.2.3 赝势法
• 3.3 计算方法
• 3.4 计算过程
• 3.4.1 截断能和k 点的选取
• 3.4.2 几何优化
• 3.4.3 弹性常数计算
• 3.5 计算结果与分析
• 3.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 合金设计与制备
• 4.1 引言
• 4.2 医用钛合金合金化原理
• 4.3 辅助合金成分设计的第一原理计算
• 4.4 合金初步设计与制备
• 4.4.1 非自耗真空电弧熔炼制备工艺研究
• 4.4.2 合金初步设计
• 4.5 试验合金确定与熔炼
• 4.6 试验合金棒材制备
• 4.7 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 微观结构与力学性能
• 5.1 引言
• 5.2 晶粒长大规律
• 5.3 合金相变规律和微观结构
• 5.3.1 钛合金相变一般规律
• 5.3.2 Ti-Mo-Zr-Fe 合金的相变规律
• 5.3.3 微观形貌
• 5.4 合金常规力学性能和断口分析
• 5.4.1 常规力学性能
• 5.4.2 晶粒尺寸与断裂机理
• 5.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 纳米压入技术与弹塑性性能
• 6.1 引言
• 6.2 纳米压入技术概述
• 6.3 纳米技术压入测试原理
• 6.3.1 载荷-位移曲线
• 6.3.2 刚度和弹性模量
• 6.3.3 接触面积
• 6.3.4 硬度
• 6.3.5 连续刚度法
• 6.4 Ti-Mo-Zr-Fe 合金的纳米压入性能
• 6.4.1 压入深度对纳米压入性能的影响
• 6.4.2 晶粒尺寸与纳米压入的关系
• 6.4.3 热处理对纳米压入性能的影响
• 6.4.4 Ti-Mo-Zr-Fe 合金与Ti-6Al-4V ELI 合金的纳米压入性能比较
• 6.5 纳米压入法测定钛合金弹性模量存在的问题
• 6.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第七章 结论
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文