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Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的放电等离子烧结制备及其组织与力学性能研究

作　者: 杜未未
导　师: 周荣
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金放电等离子烧结烧结温度粉末粒度微观结构力学性能
分类号: TF124.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

钛及钛合金以其优良的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性,成为目前生物医用植入材料的首要选择。近年来近p型医用钛合金以其更为优异的性能得到了研究人员的广泛关注,其中Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的弹性模量与人骨最为接近,成为这类合金的典型代表。目前制备Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金一般采用真空熔炼法,但是由于Nb、Ta这两种元素的熔点高、密度大、塑性差、不易加工,会造成制备过程复杂化和生产成本增加。放电等离子烧结是一种新型特种粉末烧结成形技术,它具备烧结温度低、升降温速率快、烧结时间短、致密度高、制备过程洁净等优点。采用SPS烧结技术可以制得组织成分更加均匀细小、致密度很高的Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金,这对提高合金的综合性能是非常有益的。本文采用SPS烧结技术制备Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金,研究了烧结温度以及粉末粒度对合金的致密度、微观结构与显微组织、力学性能(压缩强度、压缩弹性模量)及断口形貌的影响；还研究了Nb、Ta、Zr三种元素的加入对合金的微观结构与压缩弹性模量的影响。通过实验得出以下结论：随着烧结温度的升高,合金的致密度也逐渐升高。在同一烧结温度下,细粉Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的致密度高于粗粉合金。从而得出,升高烧结温度、降低粉末粒度有助于合金致密度的升高,使其更接近合金的理论密度。Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金主要由β-Ti相组成,其中残留少量的a-Ti相,且随着烧结温度的升高合金中的少量a-Ti相逐渐向β-Ti相转变。在同一烧结温度下,细粉Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金中的β-Ti相的含量高于粗粉合金。从而得出,升高烧结温度、降低粉末粒度均有助于合金得到更多的β-Ti相,使合金更接近其理论相组成。Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的微观结构主要由p-Ti相和部分Ti-Nb-Ta-Zr固溶体形成的大块组织混合物组成,其中镶嵌着一些光亮未熔化的Nb、Ta金属颗粒,两者之间存在少量针状的a-Ti相。随着烧结温度的升高,合金中的大块组织尺寸逐渐增大,Nb、Ta金属颗粒部分熔化固溶进烧结基体中,从而尺寸减小。在同一烧结温度下,细粉Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金中的大块组织尺寸大于粗粉合金,且Nb、Ta未熔金属颗粒粒度小于粗粉合金。从而得出,升高烧结温度、降低粉末粒度均有助于合金得到更加细小均匀的组织,提高合金的性能。Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金均具备较高的抗压强度,且随着烧结温度的升高,合金的抗压强度也逐渐升高。在同一烧结温度下,细粉合金的抗压强度值低于粗粉合金,说明粉末粒度的降低有助于提高合金的塑性。对合金的压缩断口形貌进行观察分析,得出合金的断裂方式为脆性断裂,断裂面为解理断裂面,也有一些韧窝,断裂面中存在一些微裂纹。随着粉末粒度的降低,合金断裂面的微裂纹数目减少且尺寸变小。Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的弹性模量值与熔炼法制备的Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的弹性模量相差不大,显示了其良好的力学相容性。而随着烧结温度的升高,合金的压缩弹性模量变化不大,说明烧结温度变化对其影响较小。在同一烧结温度下,细粉Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的弹性模量比粗粉合金的弹性模量小,说明粉末粒度的降低有助于降低合金的弹性模量。Nb、Ta、Zr这三种元素的加入有助于p-Ti相的形成,从而有助于降低合金的弹性模量。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-29
  1.1 生物医用材料的研究现状及发展趋势  11-15
    1.1.1 生物医用材料的定义及分类  11-12
    1.1.2 生物医用材料的发展历程  12-13
    1.1.3 人体组织对生物医用材料性能的要求  13-15
  1.2 生物医用金属材料的研究现状  15-18
  1.3 生物医用钛及钛合金的研究现状及发展趋势  18-22
    1.3.1 生物医用钛及钛合金的分类  18
    1.3.2 生物医用钛及钛合金的研究现状及发展趋势  18-21
    1.3.3 β型生物医用钛合金的研究现状  21-22
  1.4 β型生物医用钛合金的制备技术及存在的问题  22-24
  1.5 放电等离子烧结技术的原理及应用  24-26
    1.5.1 放电等离子烧结技术国内外发展概况  24
    1.5.2 SPS技术的烧结机理及装置  24-26
  1.6 课题研究的背景及意义  26-29
    1.6.1 课题研究的意义  26-27
    1.6.2 课题研究的内容  27-29
第二章实验过程  29-33
  2.1 试验原材料  29
  2.2 Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的制备过程  29-30
    2.2.1 球磨混粉  29
    2.2.2 烧结过程  29-30
  2.3 Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金组织性能的分析检测方法  30-33
    2.3.1 Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金致密度的测定方法  30-31
    2.3.2 Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金显微组织及结构分析  31
    2.3.3 Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金相分布和成分检测  31
    2.3.4 Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金力学性能分析方法  31-33
第三章放电等离子烧结Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的微观结构与显微组织研究  33-51
  3.1 粗粉Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的微观组织和显微结构分析  33-39
    3.1.1 球磨后粗粉粉末的相组成分析  33-34
    3.1.2 球磨后粗粉粉末的微观形貌分析  34
    3.1.3 烧结温度对粗粉烧结态Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金相对致密度的影响  34-35
    3.1.4 烧结温度对粗粉烧结态合金相组成的影响  35-36
    3.1.5 烧结温度对粗粉Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金微观组织和显微结构的影响  36-39
  3.2 细粉Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的微观组织和显微结构分析  39-45
    3.2.1 球磨后细粉金属粉末的相组成分析  39-40
    3.2.2 球磨后细粉金属粉末的微观形貌分析  40-41
    3.2.3 烧结温度对细粉烧结态合金相对致密度的影响  41
    3.2.4 烧结温度对细粉烧结态合金相组成的影响  41-42
    3.2.5 烧结温度对细粉Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金微观组织和显微结构的影响  42-45
  3.3 粉末粒度对Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的显微组织的影响  45-47
  3.4 Nb、Ta、Zr三种元素对合金微观结构及显微组织的影响  47-50
  3.5 本章小结  50-51
第四章放电等离子烧结Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的力学性能研究  51-61
  4.1 粗粉Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金力学性能的研究  51-54
    4.1.1 烧结温度对粗粉烧结态合金抗压强度的影响  51-52
    4.1.2 烧结温度对粗粉烧结态合金压缩弹性模量的影响  52
    4.1.3 粗粉Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金断口形貌分析  52-54
  4.2 细粉Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金力学性能的研究  54-58
    4.2.1 烧结温度对细粉Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金抗压强度的影响  54-55
    4.2.2 烧结温度对细粉Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金压缩弹性模量的影响  55-56
    4.2.3 细粉Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金断口形貌分析  56-58
  4.3 粉末粒度对合金力学性能的影响  58-59
  4.4 Nb、Ta、Zr三种元素对合金弹性模量的影响  59-60
  4.5 本章小结  60-61
第五章结论  61-63
致谢  63-65
参考文献  65-71
附录  71-73

Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的放电等离子烧结制备及其组织与力学性能研究

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