tizrsi系非晶合金的制备及其性能研究

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1、河北工业大学博士学位论文Ti-Zr-Si非晶合金的制备及其性能研究摘要本文根据Ti-Si二元合金相图和3d电子理论，设计并制备了可用于生物医学领域的、不含有毒元素的Ti-Zr-Si系非晶合金T17、TF14、TFM23和TFMN31。通过X射线衍射仪和透射电镜研究了Ti-Zr-Si系非晶合金的组织和形貌。利用Inoue经验理论和非晶钛合金的特征温度研究了合金的玻璃形成能力。此外，分别通过模拟体液法检测了材料的生物活性，运用电化学法测试了材料在不同介质中的耐蚀性，通过常温下合金的拉伸实验检测了合金的弹性模量

2、和抗拉强度。四种非晶合金的X-射线衍射谱表明，合金元素含量变化为14%～31%的Ti-Zr-Si系非晶合金具有较好的玻璃形成能力，其基体组织均为非晶态结构。Inoue经验理论和各合金的特征温度表明，四种非晶合金的玻璃形成能力由强到弱依次为TFM23>T17>TF14>TFMN31。首先，按各组元之间的混合焓的负值大小将四种合金排序如下：TFM23>T17>TF14>TFMN31。其次，各合金的过冷液相区（△Tx）、约化温度Trg和γ判据由大到小依次为TFM23>T17>TF14>TFMN31，此结果与通过

3、Inoue经验理论得到的结论相吻合。模拟体液法实验发现：在模拟体液中培养15天后，四种非晶合金表面均可以看到致密的网状涂层，这种多孔的球形网状结构可以促进骨细胞的粘附和增殖。涂层能谱分析结果表明，涂层主要由Ca、P、O和C等元素组成，且Ca与P的原子百分比n(Ca)n(P)大约为1.6，此值接近羟基磷灰石中Ca与P的原子百分含量比值1.66；涂层的红外吸收光谱表明，涂层-3-中含有OH，PO4等原子团，证实了涂层的主要成分为HA。非晶钛合金分别在NaCl和PBS溶液中的阳极极化曲线结果表明，与具有优异的耐

4、蚀性能的非晶合金Ti60Zr10Ta15Si15相比，Ti-Zr-Si系非晶合金在3%的NaCl和PBS溶液均具有优异的耐蚀性能。其中，合金TFMN31在NaCl溶液中发生孔蚀行为，其孔蚀电位为1750mV。合金TF14在PBS溶液中发生孔蚀行为，其孔蚀电位为-699.17mV。Ti-Zr-Si系非晶合金的应力-应变曲线的研究表明，Ti-Zr-Si系非晶合金的弹性模量比同种成分的晶态合金低14～59％。其拉伸过程中变形特征为：弹性－塑性变形，材料的失效方式为典型的韧性断裂。iTi-Zr-Si系非晶合金的制

5、备及其性能研究关键词：非晶合金，玻璃形成能力，特征温度，生物活性，耐腐蚀性，韧性断裂ii河北工业大学博士学位论文FABRICATIONANDPROPERTYRESRARCHOFTi-Zr-SiALLOYSSYSTEMABSTRCTBasedonthephasediagramsofTialloysand3delectrontheory,thisdissertationdealswithdesignandpreparationofTi-Zr-SiamorphousalloyssystemsuchasT17,T

6、F14,TFM23andTFMN31withouttoxicelementsbyespeciallytakingtheapplicationsofTialloysasbiomaterialsintoaccount.ThephasecompositionsweredeterminedbyX-raydiffractionpatterns.ThesurfacetopographywasobservedusingTEM.Theglassformingability(GFA)ofTi-Zr-Siamorphousa

7、lloyswasevaluatedbyInoue’sexperimentalrulesandcharacteristictemperatures,respectively.ThebioactivityofTi-Zr-Siamorphousalloyswastestedinsimulatedbodyfluid(SBF).ThecorrosionresistingpropertiesofTi-Zr-SiamorphousalloyswereexplainedbypolarizationcurvesinNaCl

8、andPBSsolutions.AndYoung’smodulusandfracturestrengthwereinvestigatedbystress-straincurvesofTi-Zr-Siamorphousalloys.TheX-raydiffractionpatternsresultsshowedthattheT17,TF14,TFM23andTFMN31ownamorphousstructure.TheGFAof