具有低温马氏体转变的新型亚稳β钛合金的设计及组织性能研究

论文摘要

钛合金由于具有优异的生物相容性,广泛应用于人体硬组织的替换和修复。新型β钛合金具有较低的弹性模量,可以避免植入后产生“应力屏蔽“效应因而得到广泛的研究和应用。而在亚稳β钛合金中发现存在有热弹性马氏体的转变,不仅使之具有形状记忆效应和超弹性效应,而且在合金的马氏体转变温度附近可以使合金获得很低的弹性模量。本研究利用这一理论,并结合D-电子合金设计方法,设计出两种不含有毒元素的生物医用钛合金,并使用WKII型真空非自耗电弧熔炼炉进行合金试样的熔炼,随后针对新设计合金进行加工及热处理工艺的制定,并研究不同热处理工艺对材料组织及性能的影响。此外,还对所设计合金进行了腐蚀实验,并通过研究合金在模拟体液中对Ca、P元素的诱导能力及溶血实验,对合金的生物相容性做出评价。结果表明:1.所设计合金均为亚稳定型β钛合金,并且在室温下可由应力诱发产生马氏体相变。2.所设计成份合金经过固溶水淬处理之后具有很低的弹性模量,约为40GPa,在拉伸过程中表现出非线性的弹性变形。经过时效处理后弹性模量略有增加,抗拉强度也有所提高;3.室温下,经过固溶处理的合金样品发生形变时都呈现出一定程度的超弹性效应,但是并未观察到形状记忆效应,可能是因为合金马氏体相变点低于测试温度所致。4.经过腐蚀试验和溶血实验发现,合金较NiTi有更好的耐腐蚀性能和血液相容性;在模拟体液中,两种成份合金都能够诱导Ca、P沉积,具有较好的骨相容性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 生物医学材料概述
• 1-1-1 引言
• 1-1-2 生物相容性
• §1-2 血管支架与血管支架材料
• 1-2-1 血管支架简介
• 1-2-2 血管支架材料
• §1-3 钛合金生物医学材料
• 1-3-1 生物医用钛合金的发展
• 1-3-2 生物医用钛合金进展
• §1-4 本课题主要研究内容
• 第二章 实验方法、设备及材料
• §2-1 实验流程
• §2-2 实验方法、材料与设备
• 2-2-1 实验仪器及设备
• 2-2-2 合金的制备
• 2-2-3 合金的热处理
• 2-2-4 组织观察与力学性能测试
• 2-2-5 生物相容性实验
• 第三章 钛合金设计
• §3-1 引言
• 3-1-1 钛的理化性质
• 3-1-2 钛合金相变
• §3-2 钛合金的形状记忆及超弹性效应
• 3-2-1 引言
• 3-2-2 形状记忆及超弹性效应产生机制
• §3-3 合金设计
• 3-3-1 钛的合金元素
• 3-3-2 钛合金的分类
• 3-3-3 合金设计
• 第四章 钛合金的加工及热处理工艺与其组织性能的研究
• §4-1 合金成份及相结构分析
• 4-1-1 合金成份分析
• §4-2 钛合金的加工及热处理工艺与相结构分析
• 4-2-1 钛合金加工工艺的制定
• 4-2-2 钛合金热处理工艺的制定
• 4-2-3 加工及热处理中各状态钛合金相结构的分析
• §4-3显微组织分析
• 4-3-1 合金铸锭退火后的显微组织
• 4-3-2 合金锻态显微组织
• 4-3-3 固溶态显微组织
• 4-3-4 合金经时效处理后显微组织
• §4-4合金力学性能研究
• 4-4-1 力学性能检测结果
• 第五章 生物相容性研究
• §5-1 材料的耐腐蚀性能
• 5-1-1 引言
• 5-1-2 实验过程及结果分析
• §5-2 材料在模拟体液中的行为
• 5-2-1 酸处理及碱处理
• 5-2-2 钛合金在模拟体液中的行为
• 5-2-3 小结
• §5-3 溶血率测定
• 5-3-1 实验结果及分析
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢