新型医用β钛合金的设计、制备及其固溶时效行为

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1、分类号UDC博士学位论文密级新型医用13钛合金的设计、制备及其固溶时效行为Design，PreparationandSolid-solutionAgingBehaviorofANewpTypeTitaniumAlloyForBiomedicalApplications作者姓名：许艳飞学科专业：材料学学院(系、所)：材料科学与工程学院指导教师：易丹青教授论文答辩日期锣f乏二哆眵答辩委员会主席中南大学2012年12月原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经

2、发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：盗塑兰日期：翌坠年卫月丝日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：皇墼导师签名垦壁雪日期：旦

3、年旦月毕日博士学位论文摘要钛合金凭借其优良的生物相容性和力学性能，逐渐取代不锈钢和CoCrMo等传统的生物医用金属材料，已被广泛用作人工关节、脊柱矫形内固定系统、牙科植体等医用内植入材料。而相对于纯钛和传统的叶B型医用钛合金，D型医用钛合金具有更低的弹性模量，更加优异的生物相容性以及耐蚀性能，因此受到越来越多的关注，已成为当前研究的热点。本文利用第一性原理对Tj寸泊二元合金的能量、电子结构及弹性性质进行了计算，并结合d．电子理论和平均价电子浓度等设计理论与方法，设计了无毒低模量的T心5Nb-10Ta-1Zr-0．2Fe(TNTZF，wt．％)新型生物医用13钛合金；

4、采用真空自耗电弧熔炼技术制备了TNTZF合金，利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、差热分析仪(Dsc)、X射线衍射仪Ga①)、透射电镜(TEM)、X射线光电子谱(xPs)等分析手段，对n汀ZF合金的时效析出行为、∞相的析出长大动力学、冷变形行为进行了研究，并对合金的拉伸、冲击以及耐蚀性能进行了表征与评价，分析了合金微观结构演变对性能的影响，并对合金的时效析出规律、冷变形机制、断裂及耐蚀机理进行了深入的探讨。主要结论如下：(1)利用第一性原理方法对Tj4妯二元合金的能量、13结构稳定性和弹性性质进行了计算。结果表明随着Nb含量的增加：合金的内聚能不断升高

5、，正方剪切常数C’不断增加，13结构稳定性逐渐增强，体模量B不断上升，剪切模量G和弹性模量E则呈现先上升后降低的趋势。当Nb含量>12．5at．％时，Ti_：Nb二元合金能够以13结构稳定存在；当Nb含量为12．5～25at．％时，正方剪切常数C’大于并接近于零，此时价电子浓度e／a处于4．125~4．25范围内，合金的弹性模量E最低约为45~46GPa。对Tm5at．％Nb合金中13相、0【”相和tO相的结构稳定性进行了计算，得到13相、0【”相和∞相的内聚能分别为5．7046、5．7305和5．7261eV·atom～，说明a”相的结构稳定性最高，13相的结构稳

6、定性相对最低。同时根据第一性原理的计算结果并结合d．电子理论和平均价电子浓度等理论，设计了无毒低模量的Tm5Nb．101’a-1Z卜O．2Fe(TNTZF，wt．％)新型生物医用13钛合金。(2)采用真空自耗电弧熔炼技术制备了TNTZF合金，并对TNTZF合金的时效行为进行了研究。合金经过800℃／lh固溶淬火后主要由过冷B、0【”马氏体以及少量淬火(Oath组成，在时效初期，亚稳13与0【”发生分解并向c【相转变，60相先与q相竞争长大，最后分解转变成a相，合金最终获得13+a平衡组织。时效早期0【相优先在∞／D相界处形核，消耗CO相长大，随着时效时间的延长，01

7、,相开始在13晶界处形核，并向晶内生长。0【相的形核和长大受溶质原子长程扩散控制，长大博士学位论文摘要速度受扩散速率所控制。合金的时效析出序列与温度的关系如下：较低温度(350℃以下)为：13+a”+∞anl一p+∞iso""’13+fgiso+0【_p+仅；中间温度(400-500℃)为：p乜”+∞础_p+∞iso+a_p+o【；较高温度(500℃以上)为：13+a”+∞砒ll_p+a。合金在中间温度(400℃和470℃)时效表现出强烈的时效硬化效应，而在较低(350℃)和较高(500℃)温度下时效表现出较弱的时效硬化效果。(3)利用DSC和TEM两种手段，对