機械合金化冷壓燒結(jié)制備nTiO2-TNZS材料組織與性能的基礎(chǔ)研究.pdf

1、本文以制備和研究新型生物醫(yī)用金屬/陶瓷復(fù)合材料為目標，結(jié)合新一代β型鈦合金Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn（TNZS）的極佳力學(xué)性能和陶瓷材料TiO2的優(yōu)異耐磨性能，采用機械合金化（高能球磨）與冷壓燒結(jié)相結(jié)合的粉末冶金方法成功制備出nTiO2/TNZS（n=0wt.％、3wt.%、6wt.%、9wt.%）生物醫(yī)用金屬/陶瓷復(fù)合材料，并對這四種材料的微觀結(jié)構(gòu)、物相、硬度、彈性模量、粗糙度、電化學(xué)腐蝕電流以及摩擦系數(shù)等進行了測試，分析研究

2、了TiO2添加量對材料的微觀組織性能、力學(xué)性能、基礎(chǔ)理化性能以及摩擦學(xué)性能的影響。以下是本文開展的具體工作以及研究成果：
　　研究了高能球磨12 h后nTiO2/TNZS混合粉末的物相及微觀形貌，研究結(jié)果表明：Ti、Nb、Zr、Sn金屬粉末與不同含量TiO2粉末經(jīng)12 h高能球磨后制備的四種混合粉末均生成α-Ti相、β-Ti相、金紅石型TiO2相、銳鈦礦型TiO2相以及Srilankite TiO2高壓相這五種物相，達到了一定程度

3、的機械合金化，并且nTiO2/TNZS混合粉末隨著TiO2含量增多得到了明顯細化。
　　研究了在1250℃溫度下經(jīng)2 h真空燒結(jié)形成nTiO2/TNZS四種復(fù)合材料的物相、微觀組織形貌、元素成分、孔隙特征，研究結(jié)果表明：nTiO2/TNZS復(fù)合材料主要由以下四種物相組成，分別是α-Ti相、β-Ti相、金紅石型TiO2相和銳鈦礦型TiO2相，隨著TiO2含量增多，α-Ti相及金紅石型TiO2相的衍射峰強度明顯增強；nTiO2/TNZ

4、S四種復(fù)合材料經(jīng)真空燒結(jié)后表面的微觀組織類似，但各組織的分布與含量有所不同，隨著TiO2的添加，組織晶粒明顯細化且分布均勻化；當TiO2添加量分別為0wt.%、3wt.%、6wt.%、9wt.%時，nTiO2/TNZS復(fù)合材料的顯氣孔率分別為7.31%、10.29%、4.73%、4.07%，并且6wt.%TiO2/TNZS和9wt.%TiO2/TNZS的孔洞更為細小，分布更加均勻。
　　研究了nTiO2/TNZS四種復(fù)合材料的力學(xué)

5、性能、粗糙度及電化學(xué)腐蝕性能，研究結(jié)果表明：nTiO2/TNZS四種復(fù)合材料的硬度值分別為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四種復(fù)合材料的彈性模量分別為43.29 GPa、50.44 GPa、57.62 GPa、85.37 GPa，其中基礎(chǔ)材料 TNZS的彈性模量最低，9wt.%TiO2/TNZS的彈性模量最高；nTiO2/TNZS

6、四種復(fù)合材料表面粗糙度Ra分別為0.2471μm、0.4496μm、0.1495μm、0.1521μm，6wt.%TiO2/TNZS和9wt.%TiO2/TNZS的表面粗糙度相對較低；nTiO2/TNZS四種復(fù)合材料的動電位極化曲線均出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象，自腐蝕電位分別是-0.73 V、-0.59 V、-0.65 V、-0.82 V，自腐蝕電流密度分別為5.37×10-9 A/cm-2、3.02×10-9 A/cm-2、6.31×10-10 A

7、/cm-2、5.20×10-10 A/cm-2，其中9wt.%TiO2/TNZS耐腐蝕性能最為優(yōu)異，6wt.%TiO2/TNZS耐腐蝕性較為優(yōu)異。
　　研究了nTiO2/TN ZS四種復(fù)合材料在干摩擦與人工模擬體液SBF條件下的摩擦學(xué)行為，研究結(jié)果表明：在干摩擦條件下，nTiO2/TNZS四種材料在磨損過程中穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)分別為0.6934、0.6718、0.6123、0.6687；在人工模擬體液SBF條件下，nTiO2/TN

8、ZS四種材料在磨損過程中穩(wěn)定階段的摩擦系數(shù)分別為0.2571、0.3011、0.2464、0.3368，根據(jù)磨痕形貌可以看出6wt.%TiO2/TNZS和9wt.%TiO2/TNZS這兩種材料的耐磨性能較為優(yōu)異。
　　本文研究結(jié)果表明，添加一定含量的TiO2能有效改善材料的力學(xué)性能以及耐腐蝕性、耐磨性能，并且6wt.%TiO2/TNZS和9wt.%TiO2/TNZS這兩種生物醫(yī)用金屬/陶瓷復(fù)合材料均具有良好的力學(xué)性能以及優(yōu)異的耐腐