论文部分内容阅读
本文以制备和研究新型生物医用金属/陶瓷复合材料为目标,结合新一代β型钛合金Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn(TNZS)的极佳力学性能和陶瓷材料TiO2的优异耐磨性能,采用机械合金化(高能球磨)与冷压烧结相结合的粉末冶金方法成功制备出nTiO2/TN ZS(n=0wt.%、3wt.%、6wt.%、9wt.%)生物医用金属/陶瓷复合材料,并对这四种材料的微观结构、物相、硬度、弹性模量、粗糙度、电化学腐蚀电流以及摩擦系数等进行了测试,分析研究了TiO2添加量对材料的微观组织性能、力学性能、基础理化性能以及摩擦学性能的影响。以下是本文开展的具体工作以及研究成果:研究了高能球磨12 h后nTiO2/TNZS混合粉末的物相及微观形貌,研究结果表明:Ti、Nb、Zr、Sn金属粉末与不同含量TiO2粉末经12 h高能球磨后制备的四种混合粉末均生成α-Ti相、β-Ti相、金红石型TiO2相、锐钛矿型TiO2相以及Srilankite TiO2高压相这五种物相,达到了一定程度的机械合金化,并且nTOi 2/TNZS混合粉末随着TiO2含量增多得到了明显细化。研究了在1250℃温度下经2 h真空烧结形成nTiO2/TNZS四种复合材料的物相、微观组织形貌、元素成分、孔隙特征,研究结果表明:nTiO2/TNZS复合材料主要由以下四种物相组成,分别是α-Ti相、β-Ti相、金红石型TiO2相和锐钛矿型TiO2相,随着TiO2含量增多,α-Ti相及金红石型TiO2相的衍射峰强度明显增强;nTiO2/TNZS四种复合材料经真空烧结后表面的微观组织类似,但各组织的分布与含量有所不同,随着TiO2的添加,组织晶粒明显细化且分布均匀化;当TiO2添加量分别为0wt.%、3wt.%、6wt.%、9wt.%时,nTiO2/TN ZS复合材料的显气孔率分别为7.31%、10.29%、4.73%、4.07%,并且6wt.%TiO2/TNZS和9wt.%TiO2/TNZS的孔洞更为细小,分布更加均匀。研究了nTiO2/TNZS四种复合材料的力学性能、粗糙度及电化学腐蚀性能,研究结果表明:nTiO2/TNZS四种复合材料的硬度值分别为579.8 HV、452.9 HV、983.2 HV、1219.9 HV,其中9wt.%TiO2/TNZS的硬度值最大;nTiO2/TNZS四种复合材料的弹性模量分别为43.29 GPa、50.44 GPa、57.62 GPa、85.37 GPa,其中基础材料TNZS的弹性模量最低,9wt.%TiO2/TNZS的弹性模量最高;nTiO2/TNZS四种复合材料表面粗糙度Ra分别为0.2471μm、0.4496μm、0.1495μm、0.1521μm,6wt.%TiO2/TN ZS和9wt.%TiO2/TNZS的表面粗糙度相对较低;nTiO2/TNZS四种复合材料的动电位极化曲线均出现钝化现象,自腐蚀电位分别是-0.73 V、-0.59 V、-0.65 V、-0.82 V,自腐蚀电流密度分别为5.37′10-9 A·cm-2、3.02′10-9 A·cm-2、6.31′10-10 A·cm-2、5.20′10-10 A·cm-2,其中9wt.%TiO2/TNZS耐腐蚀性能最为优异,6wt.%TiO2/TNZS耐腐蚀性较为优异。研究了nTiO2/TN ZS四种复合材料在干摩擦与人工模拟体液SBF条件下的摩擦学行为,研究结果表明:在干摩擦条件下,nTiO2/TNZS四种材料在磨损过程中稳定阶段的摩擦系数分别为0.6934、0.6718、0.6123、0.6687;在人工模拟体液SBF条件下,nTiO2/TNZS四种材料在磨损过程中稳定阶段的摩擦系数分别为0.2571、0.3011、0.2464、0.3368,根据磨痕形貌可以看出6wt.%TiO2/TN ZS和9wt.%TiO2/TNZS这两种材料的耐磨性能较为优异。本文研究结果表明,添加一定含量的TiO2能有效改善材料的力学性能以及耐腐蚀性、耐磨性能,并且6wt.%TiO2/TNZS和9wt.%TiO2/TN ZS这两种生物医用金属/陶瓷复合材料均具有良好的力学性能以及优异的耐腐蚀性、耐磨性能,有望成为一种新型的生物医用金属/陶瓷复合材料。