钛系生物医用高熵合金的显微组织与性能研究

摘要

高熵合金（High Entropy Alloys，HEAs）自2004年正式提出后，因其高强度、高韧性、高耐磨、高耐蚀等特点被誉为近年来最具潜力的新材料之一。经过短短十几年的发展，高熵合金的设计不再局限于五元及五元以上、等摩尔原子比，并向着低主元、非等原子比拓展。将其优良的性能引入生物医用金属材料，这为本研究提供了价值思路。本文在生物医用钛合金基础上，设计三等原子比高熵合金TiZrNb、Fe元素添加高熵合金TiZrNbFex(x，0.1~0.5)、非等原子比高熵合金TixZryNbzFe(100-x-y-z)，旨在获得高强度、低弹性模量的生物安全植入金属材料。 本文借助高熵合金固溶体判据公式，利用真空电弧熔炼炉将每系列合金熔至均匀，通过X射线衍射（XRD）光学显微镜（OM）、电子显微镜及能谱（SEM+EDS）、力学实验（室温压缩、硬度、拉伸实验）、电化学实验，分别对合金的物相组成、力学实验以及生物耐蚀性进行分析。 实验表明，合金TiZrNb的晶体结构由大量bcc1与少量bcc2相构成，这表明bcc相具有良好的室温稳定性。将Fe元素逐量加入TiZrNb体系后，合金TiZrNbFex的晶体结构由双bcc1+bcc2相转变为单bcc相，当x＞0.3时，合金中出现Fe2Ti、Fe2Zr、Fe2Nb金属间相及单质相。而对于合金TixZryNbzFe(100-x-y-z)，虽然合金的热力学参数符合固溶体判据，但显微组织中除简单的bcc相外，部分合金中还出现了上述金属间相与未知相。甚至由于晶格常数的减小及晶体取向的偏转，bcc的最强峰还发生了变化。根据实际合金中的物相，当δ＜5.6，Δx＜1.5，ΔHmix＞-0.6时，该Ti系合金易于形成固溶体。 对于力学实验，TiZrNb合金的压缩塑性超过80%，拉伸屈服强度在910MPa左右，拉伸塑性超过16.5%，硬度值为231HV。随着Fe元素的添加，TiZrNbFex合金的塑性逐渐降低，而压缩屈服强度增加，断裂强度最高达到1820MPa，硬度则从340HV增加到425HV。而对于TixZryNbzFe(100-x-y-z)系列合金，除Ti50Zr30Nb15Fe5合金外，随着混合熵的减小，合金的屈服强度由1100MPa降至900MPa，压缩塑性由10%增至30%，硬度则在380HV~300HV范围内变化。特别地，上述三种系列合金都具有超低弹性模量，且在人体骨弹性模量（10-30GPa）范围之内。电化学测试表明，TiZrNb合金的耐蚀性好于TC4（Ti6Al4V），TiZrNbFex体系中大部分合金的腐蚀电流密度小于TC4。而随着熵值的增加，TixZryNbzFe(100-x-y-z)的腐蚀电流密度逐渐增加，大部分合金的耐蚀性差于TC4合金。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 课题意义

1.2 生物医用金属材料的研究现状

1.3 高熵合金的定义、性能特点及研究发展现状

1.3.1 高熵合金的定义

1.3.2 高熵合金的研究发展现状

1.4 高熵合金在生物医用方面的应用

1.5 研究内容

1.6 技术路线

1.7 研究意义

第 2 章 实验方法

2.1 实验材料

2.2 合金制备

2.3 微观表征分析

2.3.1 光学显微镜

2.3.2 扫描电子显微镜和能谱分析

2.3.3 X射线衍射

2.4 力学性能测试

2.4.1 压缩实验

2.4.2 拉伸实验

2.4.3 显微硬度实验

2.5 模拟体液电化学性能测试

第 3 章 三等原子比 TiZrNb 高熵合金

3.1 TiZrNb高熵合金的设计

3.1.1 合金元素筛选及设计原则

3.1.2 合金相的预判

3.2 TiZrNb 高熵合金的物相及显微组织分析

3.2.1 物相分析

3.2.2 金相分析

3.3 TiZrNb 高熵合金的力学性能分析

3.3.1 压缩实验

3.3.2 拉伸实验

3.3.3 硬度试验

3.4 TiZrNb 高熵合金的耐蚀性测试

3.5 本章小结

第 4 章 Fe 元素添加 TiZrNbFex高熵合金

4.1 TiZrNbFex高熵合金的设计及相预测

4.1.1 合金的设计

4.1.2 合金的相预测

4.2 TiZrNbFex高熵合金的物相及显微组织分析

4.2.1 合金的物相分析

4.2.2 合金的显微组织

4.3 TiZrNbFex高熵合金的力学性能

4.3.1 合金的压缩实验

4.3.2 合金的显微硬度

4.4 TiZrNbFex高熵合金的耐蚀性

4.5 本章小结

第 5 章 非等原子比 TixZryNbzFe(100-x-y-z)高熵合金

5.1 TixZryNbzFe(100-x-y-z)高熵合金的设计及相预判

5.2.1 合金的物相分析

5.2.2 合金的显微组织

5.3 TixZryNbzFe(100-x-y-z)高熵合金的力学性能

5.3.1 压缩实验

5.3.2 硬度试验

5.4 TixZryNbzFe(100-x-y-z)高熵合金的耐蚀性能

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间发表的论文