小平畢業(yè)答辯

1、Mn對對Ti-Ta生物醫(yī)用合生物醫(yī)用合金組織和性能的影響金組織和性能的影響姓名：盛魯平姓名：盛魯平 學(xué)號：學(xué)號：120201001 專業(yè)：材料成型及控制工程專業(yè)：材料成型及控制工程 指導(dǎo)老師：武曉峰指導(dǎo)老師：武曉峰 教授教授1.課題的研究內(nèi)容課題的研究內(nèi)容2.課題的研究意義課題的研究意義3.課題研究的結(jié)果課題研究的結(jié)果4.實驗結(jié)論實驗結(jié)論課題的研究內(nèi)容課題的研究內(nèi)容 （1）研究）研究Mn對對Ti-Ta合金顯微組織的影響；合金顯微組織的影響； （2）研究）研究Mn對對Ti-Ta合金力學(xué)性能的影響；合金力學(xué)性能的影響； （3）研究）研究Mn對對Ti-Ta合金電化學(xué)腐蝕性能的影響。合金電化學(xué)腐蝕性能

2、的影響。 力學(xué)性能包括：彈性模量、拉伸性能、抗拉強(qiáng)度。力學(xué)性能包括：彈性模量、拉伸性能、抗拉強(qiáng)度。 得到廣泛使用的醫(yī)用植入得到廣泛使用的醫(yī)用植入Ti合金存在一定的合金存在一定的問題：彈性模量與人骨不匹配問題：彈性模量與人骨不匹配,容易造成容易造成“應(yīng)力屏應(yīng)力屏蔽蔽”,會引起種植體松動或斷裂組成元素會引起種植體松動或斷裂組成元素V、Al可可能對人體產(chǎn)生能對人體產(chǎn)生毒副作用。各種表面改性方法可以毒副作用。各種表面改性方法可以有效地提高有效地提高Ti-Ta合金的合金的抗腐蝕性抗腐蝕性,改善改善Ti-Ta合金合金的生物相容性的生物相容性,但都存在成本高、工藝復(fù)雜、不易但都存在成本高、工藝復(fù)雜、不易操作

3、等缺點操作等缺點,甚至?xí)霈F(xiàn)導(dǎo)致脫落的現(xiàn)象。因此甚至?xí)霈F(xiàn)導(dǎo)致脫落的現(xiàn)象。因此,發(fā)展具有良好的生物相容性、低彈性模量、較高發(fā)展具有良好的生物相容性、低彈性模量、較高強(qiáng)度及較好的塑韌性且兼具有形狀記憶效應(yīng)的新強(qiáng)度及較好的塑韌性且兼具有形狀記憶效應(yīng)的新型生物醫(yī)用型生物醫(yī)用Ti合金成為一種新的研究方向。合金成為一種新的研究方向。課題課題的研的研究意義究意義2016.6.26課題的研究結(jié)果與分析課題的研究結(jié)果與分析1.Mn對對Ti-Ta合金顯微組織的影響合金顯微組織的影響 圖為200倍下Ti-20Ta-xMn合金的顯微組織 （a）Ti-20Ta (b) Ti-20Ta-1Mn (c) Ti-20Ta-

4、3Mn(d)Ti-20Ta-5Mn(e)Ti-20Ta-7Mn 2.Ti-20Ta-xMn合金經(jīng)1073K淬火的XRD圖2016.6.263. Mn對對Ti-20Ta合金力學(xué)性能的合金力學(xué)性能的影響影響 1）Mn對對Ti-20Ta合金彈性模量的影響合金彈性模量的影響Mn含量對Ti-20Ta-xMn（x=0、1、3、5、7）合金彈性模量的影響曲線2016.6.262）拉伸性能拉伸性能Ti-20Ta-xMn（x=0、1、3、5、7）合金在1073K淬火時的抗拉強(qiáng)度曲線2016.6.26應(yīng)力-應(yīng)變曲線2016.6.26Ti-20Ta-xMn（x=0、1、3、5、7）合金在1073K淬火時的室溫拉伸曲

5、線伸長率顯微硬度、原子尺寸與價電子數(shù) 在溶質(zhì)原子濃度適當(dāng)時，元素的固溶強(qiáng)化作用可以提高材料的強(qiáng)度和硬度，而固溶強(qiáng)度的的程度取決于添加原子與原始原子之間的尺寸差別和溶質(zhì)原子與基體的價電子數(shù)e/a的差別。尺寸差和價電子數(shù)相差越大，固溶強(qiáng)化作用越顯著。合金的顯微硬度值最大，Mn原子與Ti原子的原子半徑差大，而Mn原子與Ti原子的價電子數(shù)相差也很大，因此，Ti-20Ta-7Mn合金的顯微硬度值最大。2016.6.265. Ti-20Ta-xMn（x=0、1、3、5、7）合金的電化學(xué)腐蝕性能合金的電化學(xué)腐蝕性能腐蝕電化學(xué)原理腐蝕電化學(xué)原理 從氧化還原理論分析，金屬腐蝕是金屬被氧化的過程。從氧化還原理論分

6、析，金屬腐蝕是金屬被氧化的過程。在體液環(huán)境中，金屬的腐蝕是一種有水參與的反應(yīng)和溶液在體液環(huán)境中，金屬的腐蝕是一種有水參與的反應(yīng)和溶液腐蝕的過程，稱為水溶液腐蝕。作為一種電化學(xué)現(xiàn)象，水腐蝕的過程，稱為水溶液腐蝕。作為一種電化學(xué)現(xiàn)象，水溶液腐蝕的整個過程都不能離開電子的遷移。電子從金屬溶液腐蝕的整個過程都不能離開電子的遷移。電子從金屬表面上的某個區(qū)域遷移到表面的另一個區(qū)域，或者從一種表面上的某個區(qū)域遷移到表面的另一個區(qū)域，或者從一種金屬遷移到其相鄰的金屬，最后再轉(zhuǎn)給溶液中能接受電子金屬遷移到其相鄰的金屬，最后再轉(zhuǎn)給溶液中能接受電子的其他物質(zhì)。因而，在發(fā)生水溶液腐蝕的過程中，金屬表的其他物質(zhì)。因而，

7、在發(fā)生水溶液腐蝕的過程中，金屬表面要形成陽極區(qū)和陰極區(qū)，在電解質(zhì)溶液中形成電流回路。面要形成陽極區(qū)和陰極區(qū)，在電解質(zhì)溶液中形成電流回路。此外還需要電子流動的推動力，也就是陽極區(qū)和陰極區(qū)之此外還需要電子流動的推動力，也就是陽極區(qū)和陰極區(qū)之間的電位差間的電位差2016.6.26 陽極區(qū)金屬的溶解發(fā)生在水溶液腐蝕過程中，金屬離陽極區(qū)金屬的溶解發(fā)生在水溶液腐蝕過程中，金屬離子離開表面進(jìn)入水溶液。這個過程是一個失去電子的氧化子離開表面進(jìn)入水溶液。這個過程是一個失去電子的氧化反應(yīng)，即：反應(yīng)，即： M-ne-Mn+. 陰極區(qū)，陰極附近與電子結(jié)合的物質(zhì)得到電子，主要陰極區(qū)，陰極附近與電子結(jié)合的物質(zhì)得到電子，主

8、要有溶解氧分子和氫離子，溶解氧分子的離子化反應(yīng)和氫離有溶解氧分子和氫離子，溶解氧分子的離子化反應(yīng)和氫離子的還原反應(yīng)是兩個最重要的陰極反應(yīng)。子的還原反應(yīng)是兩個最重要的陰極反應(yīng)。 1/2O2+2e-+H2O2OH- 2H+2e-H22016.6.26Ti-20Ta-xMn合金的極化曲線 Ti-20Ta-xMn(x=0、1、3、5)在腐蝕液中的動電位極化曲在腐蝕液中的動電位極化曲線。從圖中觀察到，線。從圖中觀察到，Ti-20Ta-xMn(x=0、1、3、5)合金的合金的動電位極化曲線非常相似，均展現(xiàn)了明顯的自發(fā)鈍化的特動電位極化曲線非常相似，均展現(xiàn)了明顯的自發(fā)鈍化的特征。合金從征。合金從Tafel區(qū)

9、域直接進(jìn)入了鈍化區(qū)，具有較寬的鈍區(qū)域直接進(jìn)入了鈍化區(qū)，具有較寬的鈍化區(qū)間，而且在整個測試范圍內(nèi)并沒有觀察到鈍化膜破裂化區(qū)間，而且在整個測試范圍內(nèi)并沒有觀察到鈍化膜破裂的現(xiàn)象，顯然合金表面生成了保護(hù)性的鈍化膜。隨著的現(xiàn)象，顯然合金表面生成了保護(hù)性的鈍化膜。隨著Mn元素的添加，合金的鈍化電流密度有所提高，合金的耐腐元素的添加，合金的鈍化電流密度有所提高，合金的耐腐蝕性增強(qiáng)。隨著蝕性增強(qiáng)。隨著Mn元素的添加，合金的元素的添加，合金的Icorr有所降低，有所降低，合金的耐腐蝕性能增強(qiáng)。鈍化電流密度隨著合金的耐腐蝕性能增強(qiáng)。鈍化電流密度隨著Mn含量的增含量的增加也有所而降低。加也有所而降低。Ti-6Al

10、-4V與與Ti-Ta-xMn（x=0、1、3、5）合金相比，合金的）合金相比，合金的Icorr值明顯偏高，所以值明顯偏高，所以Ti-6Al-4V合合金的耐腐蝕性能較弱，容易被腐蝕。金的耐腐蝕性能較弱，容易被腐蝕。2016.6.262016.6.26Ecorr、Ep、Et、Ip、It隨Mn含量的變化曲線Ecorr自腐蝕電位；EpFlade 電位，材料處于一次鈍化區(qū)的低限電位；Et材料處于一次鈍化區(qū)的高限電位；Ip材料處于一次鈍化區(qū)的低限電流密度；It材料處于一次鈍化區(qū)的高限電流密度。 綜上所述，Ti-20Ta-5Mn合金的自腐蝕電位較高，腐蝕傾向較小，而 Ti-20Ta合金的腐蝕電位較低，發(fā)生腐

11、蝕的傾向較大；Ti-20Ta-1Mn合金的低限電流密度較小易于形成鈍化膜，使其腐蝕速率小，而耐腐蝕性能高；Ti-20Ta-1Mn合金的Et-Ep的值較大，從而鈍化膜穩(wěn)定性較高，且Ti-20Ta-1Mn合金的二次鈍化區(qū)較為明顯，所以Ti-20Ta-1Mn合金為較好的生物醫(yī)用材料。結(jié)論 （1）固溶態(tài)Ti-Ta-Mn合金的顯微組織隨Mn含量的增加，由單一的等軸相逐漸演變成由相和相組成的雙相組織，當(dāng)Mn含量達(dá)到7%后，合金由單一的相構(gòu)成，表明Mn元素具有穩(wěn)定相的作用。 （2）Mn的加入提高兩元Ti-20Ta合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及顯微硬度，其中Ti-20Ta-7Mn合金的提高最高，分別由65MPa、

12、610MPa和240HV提高到180MPa、1300MPa和410HV。Ti-20Ta-1Mn合金具有良好的綜合力學(xué)性能，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及顯微硬度值分別達(dá)到180MPa、980MPa和270Mpa，同時保持23%的伸長率，其彈性模量也比C.P.Ti和Ti-6Al-4V合金的低。 Ti-20Ta（M0）、）、Ti-20Ta-1Mn（M1）、）、Ti-20Ta-3Mn（M3）、）、Ti-20Ta-5Mn（M5）合金的自腐蝕電位（）合金的自腐蝕電位（Ecorr）分別為分別為-0.68V、-0.67V、-0.67V、-0.416V，維鈍電流密度，維鈍電流密度（Ip）分別為）分別為1.57A/cm2、0.92A/cm2、0.93A/cm2、1.36A/cm2，鈍化區(qū)的電位寬度（，鈍化區(qū)的電位寬度（Et-Ep）分別為）分別為0.64V、0.93V、0.84V、0.63V。由此判斷它們的腐蝕傾向依。由此判斷它們的腐蝕傾向依M5、