Ti-Zr-Si系非晶合金的制备及其性能研究

论文摘要

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 （C a）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,涂层中含有OH-,PO43-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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 非晶合金的发展历史及研究现状
• 1.2 块体非晶合金的制备方法
• 1.2.1 快速凝固技术
• 1.2.2 块体非晶合金的制备方法
• 1.3 非晶态块状合金的分类
• 1.4 非晶态合金的成分设计准则
• 1.4.1 合金元素对非晶合金玻璃形成能力的影响
• 1.4.2 非晶合金的成分设计准则
• 1.4.2.1 混乱原则
• 1.4.2.2 Inoue 原则
• 1.5 非晶合金的形成条件和玻璃形成能力评价标
• 1.5.1 非晶态合金形成的热力学和动力学条件
• 1.5.1.1 非晶态合金形成的热力学条件
• 1.5.1.2 非晶态合金形成的动力学条件
• 1.5.2 非晶态合金玻璃形成能力的评价参数
• 1.6 钛基非晶合金的合金体系及其性能研究
• 1.7 本课题的选题意义与研究内容
• 第二章 实验方案与材料制备
• 2.1 实验方案
• 2.2 非晶材料的制备
• 2.2.1 钛合金制备用原材料
• 2.2.2 材料制备所需设备
• 2.2.3 材料的制备
• 2.3 材料检测方法
• 第三章 Ti-Zr-Si 系非晶合金的设计
• 3.1 引言
• 3.2 Ti-Zr-Si 非晶合金系的设计
• 3.2.1 合金元素的选择
• 3.2.2 根据钛合金的相关相图确定基体合金元素基本含量
• 3.2.3 软件模拟分析的合金的弹性模量
• 3.3 Ti-Zr-Si 系非晶合金的组织形貌分析
• 3.3.1 Ti-Zr-Si 合金体系的相分析
• 3.3.2 合金组织形貌分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 Ti-Zr-Si 系非晶合金的玻璃形成能力 和热稳定性研究
• 4.1 引言
• 4.2 Inoue 经验理论
• 4.2.1 Ti-Zr-Si 系非晶合金的原子类型和种类
• 4.2.2 Ti-Zr-Si 系非晶合金的原子尺寸
• 4.2.3 Ti-Zr-Si 系非晶合金各组元之间混合热
• 4.3 Ti-Zr-Si 系非晶合金的特征温度
• 4.4 本章小结
• 第五章 Ti-Zr-Si 系非晶合金的生物性能研究
• 5.1 引言
• 5.1.1 钛合金在生物医学领域的应用简介
• 5.1.2 钛合金的生物相容性
• 5.1.3 钛合金的生物活性
• 5.2 生物活性涂层HA 的制备
• 5.2.1 模拟体液（SBF）的配制
• 5.2.2 生物活性涂层 HA 的制备
• 5.3 钛合金的生物活性评价
• 5.4 本章小结
• 第六章 Ti-Zr-Si 系非晶合金的耐蚀性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验方法
• 6.2.1 试验材料
• 6.2.2 试验设备
• 6.3 Ti-Zr-Si 非晶合金体系的耐蚀性能分析
• 6.3.1 阳极极化原理
• 6.3.2 阳极钝化参数
• 6.3.3 Ti-Zr-Si 非晶合金体系的阳极极化曲线
• 6.3.3.1 Ti-Zr-Si 非晶合金体系在NaCl 溶液中的阳极极化曲线
• 6.3.3.2 Ti-Zr-Si 非晶合金体系在 PBS 溶液中的阳极极化曲线
• 6.4 本章小结
• 第七章 Ti-Zr-Si 系非晶合金的力学性能
• 7.1 引言
• 7.2 Ti-Zr-Si 系非晶合金的力学性能
• 7.2.1 Ti-Zr-Si 系非晶合金拉伸试验
• 7.2.2 Ti-Zr-Si 系非晶合金拉伸实验的应力应变曲线
• 7.2.3 Ti-Zr-Si 系非晶合金拉伸实验的断口形貌
• 7.3 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文情况