原位自生tic颗粒增强tinb基复合材料的制备与力学性能研究

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1、学校代码10530学号201510131344分类号TG146.2密级公开硕士学位论文原位自生TiC颗粒增强TiNb基复合材料的制备与力学性能研究学位申请人刘喆指导教师林建国教授学院名称材料科学与工程学院学科专业材料工程研究方向材料学二零一八年五月In-situFormationTiCParticlesReinforceTiNbBasedCompositesandTheirMechanicalProperityInvestigationCandidateLiuZheSupervisorProfessorLinJianguoCollegeSchoolofM

2、aterialsScienceandEngineeringProgramMaterialsEngineeringSpecializationMaterialsScienceDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateMar.10,2018摘要新型β-TiNb基合金具有优良的生物相容性、较低的弹性模量、良好的形状记忆效应和耐体液腐蚀等优点，作为生物移植材料，有着广阔的应用前景。然而，与传统的TC4合金相比，该合金强度偏低，其超弹性也低于NiTi合金。针对这些问题，本论文以Ti-20Nb和

3、Ti-26Nb二元合金为研究对象，首先采用机械合金化的方法，以硬脂酸作为碳源，原位生成了TiC颗粒增强的TiNb合金粉末，并采用不同的烧结方法，制备出原位生成TiC颗粒增强的TiNb合金，并研究了不同制备工艺和TiC颗粒含量对TiC/β-TiNb复合材料力学性能的影响，在此基础上，采用重熔稀释的方法，制备出了具有较高强度和超弹性的TiC颗粒增强的Ti-26Nb基复合材料。主要的研究内容和结果如下：1.研究Ti/Nb/硬脂酸混合粉在机械合金化及随后的热处理过程中组织演变规律。研究结果表明随着球磨时间的增加，金属粉末不断细化，Nb原子逐渐固溶于钛晶体中，在经

4、过10h高能球磨后，可达到完全合金化，生成bcc结构的β-TiNb合金，其晶粒尺寸约为19.2nm。该合金粉末在经过经450-600oC退火后，可原位生成纳米尺寸的TiC颗粒。分析结果表明，在球磨过程中，合金粉末经历的大变形导致粉末中缺陷不断增加，且球磨过程产生的温度会使硬脂酸融化，液态的硬脂酸吸附在含有大量缺陷的钛铌粉末表面，在随后的真空预烧阶段中，硬脂酸中的C、H易与Ti反应生成TiC、TiH2，而随着温度升高TiH2发生脱氢反应。2.分别采用真空烧结（vacuumsintering）、放电等离子烧结（sparkplasmasintering）、高压

5、烧结（highpressuresintering）方法，制得原位自生TiC颗粒增强的β-TiNb复合材料，并对其显微组织及力学性能进行了表征。研究结果表明，经过不同方法制备的复合材料，其显微组织主要由β相与弥散分布、细小的TiC颗粒组成，其中真空常压烧结的合金，其晶粒度较大，致密度较低，而经过高压（3GPa）烧结制得的TiC/β-TiNb复合材料，晶粒细小（小于1μm），且组织致密（致密度为99%），因而表现出较为优异的力学性能，其压缩，屈服强度约为1900MPa，并表现出一定的室温塑性，断裂应变可达10.4%。I3.采用重熔稀释的方法，以高压烧制得的T

6、iC/β-TiNb复合材料为原材料，并按比例添加一定量的纯Ti和纯Nb，在真空氩弧熔炼炉中制备出了TiC颗粒增强的Ti-26Nb复合材料，并研究了热轧和热处理工艺对合金显微组织与力学性能的影响，研究结果表明，高压烧结制备的45vol.%TiC颗粒增强的β-TiNb复合材料在重熔凝固过程中，可通过共晶反应析出条状的TiC。铸态TiC/Ti-26Nb复合材料经过热轧与800oC/10min退火后，发生了完全再结晶，而且分布于晶界的TiC颗粒可以有效抑制退火过程中晶粒的长大，其退火后组织细小，TiC颗粒分布均匀。对该合金的力学进行了测试，其结果表明，TiC能显

7、著提高Ti-26Nb合金的屈服强度，与未添加TiC颗粒合金相比（0.2=412MPa）其屈服强度可达835MPa；同时该复合材料在室温下可表现出超弹性，而且TiC颗粒能显著提高Ti-26Nb的马氏体相变诱发应力，进而改善了Ti-26Nb的超弹性性能。关键词：TiNb；复合材料；显微组织；力学性能IIAbstractNewβtypeTiNbbasedalloyshavegoodbiocompatibility,lowerelasticmodulus,goodshape-memoryeffectandexcellentcorrosionresistance

8、,whichshowabroadapplicationprospectasthe