Mn对TiTa生物医用合金组织和性能的影响毕业答辩

Mn对TiTa生物医用合金组织和性能的影响毕业答辩第1页/共24页课题的研究内容（1）研究Mn对Ti-Ta合金显微组织的影响；（2）研究Mn对Ti-Ta合金力学性能的影响；（3）研究Mn对Ti-Ta合金电化学腐蚀性能的影响。力学性能包括：弹性模量、拉伸性能、抗拉强度。第2页/共24页

得到广泛使用的医用植入Ti合金存在一定的问题：弹性模量与人骨不匹配,容易造成“应力屏蔽”,会引起种植体松动或断裂组成元素V、Al可能对人体产生毒副作用。各种表面改性方法可以有效地提高Ti-Ta合金的抗腐蚀性,改善Ti-Ta合金的生物相容性,但都存在成本高、工艺复杂、不易操作等缺点,甚至会出现导致脱落的现象。因此,发展具有良好的生物相容性、低弹性模量、较高强度及较好的塑韧性且兼具有形状记忆效应的新型生物医用Ti合金成为一种新的研究方向。课题的研究意义2016.6.26第3页/共24页课题的研究结果与分析1.Mn对Ti-Ta合金显微组织的影响

图为200倍下Ti-20Ta-xMn合金的显微组织

（a）Ti-20Ta(b)Ti-20Ta-1Mn(c)Ti-20Ta-3Mn(d)Ti-20Ta-5Mn(e)Ti-20Ta-7Mn第4页/共24页

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2.Ti-20Ta-xMn合金经1073K淬火的XRD图

2016.6.26第6页/共24页3.Mn对Ti-20Ta合金力学性能的影响1）Mn对Ti-20Ta合金弹性模量的影响Mn含量对Ti-20Ta-xMn（x=0、1、3、5、7）合金弹性模量的影响曲线2016.6.26第7页/共24页2）拉伸性能Ti-20Ta-xMn（x=0、1、3、5、7）合金在1073K淬火时的抗拉强度曲线2016.6.26第8页/共24页应力-应变曲线2016.6.26Ti-20Ta-xMn（x=0、1、3、5、7）合金在1073K淬火时的室温拉伸曲线第9页/共24页伸长率第10页/共24页显微硬度、原子尺寸与价电子数第11页/共24页

在溶质原子浓度适当时，元素的固溶强化作用可以提高材料的强度和硬度，而固溶强度的的程度取决于添加原子与原始原子之间的尺寸差别和溶质原子与基体的价电子数e/a的差别。尺寸差和价电子数相差越大，固溶强化作用越显著。合金的显微硬度值最大，Mn原子与Ti原子的原子半径差大，而Mn原子与Ti原子的价电子数相差也很大，因此，Ti-20Ta-7Mn合金的显微硬度值最大。2016.6.26第12页/共24页5.Ti-20Ta-xMn（x=0、1、3、5、7）合金的电化学腐蚀性能第13页/共24页腐蚀电化学原理

从氧化还原理论分析，金属腐蚀是金属被氧化的过程。在体液环境中，金属的腐蚀是一种有水参与的反应和溶液腐蚀的过程，称为水溶液腐蚀。作为一种电化学现象，水溶液腐蚀的整个过程都不能离开电子的迁移。电子从金属表面上的某个区域迁移到表面的另一个区域，或者从一种金属迁移到其相邻的金属，最后再转给溶液中能接受电子的其他物质。因而，在发生水溶液腐蚀的过程中，金属表面要形成阳极区和阴极区，在电解质溶液中形成电流回路。此外还需要电子流动的推动力，也就是阳极区和阴极区之间的电位差2016.6.26第14页/共24页

阳极区金属的溶解发生在水溶液腐蚀过程中，金属离子离开表面进入水溶液。这个过程是一个失去电子的氧化反应，即：

M-ne-→Mn+.阴极区，阴极附近与电子结合的物质得到电子，主要有溶解氧分子和氢离子，溶解氧分子的离子化反应和氢离子的还原反应是两个最重要的阴极反应。

1/2O2+2e-+H2O→2OH-2H++2e-→H2↑2016.6.26第15页/共24页Ti-20Ta-xMn合金的极化曲线第16页/共24页Ti-20Ta-xMn(x=0、1、3、5)在腐蚀液中的动电位极化曲线。从图中观察到，Ti-20Ta-xMn(x=0、1、3、5)合金的动电位极化曲线非常相似，均展现了明显的自发钝化的特征。合金从Tafel区域直接进入了钝化区，具有较宽的钝化区间，而且在整个测试范围内并没有观察到钝化膜破裂的现象，显然合金表面生成了保护性的钝化膜。随着Mn元素的添加，合金的钝化电流密度有所提高，合金的耐腐蚀性增强。随着Mn元素的添加，合金的Icorr有所降低，合金的耐腐蚀性能增强。钝化电流密度随着Mn含量的增加也有所而降低。Ti-6Al-4V与Ti-Ta-xMn（x=0、1、3、5）合金相比，合金的Icorr值明显偏高，所以Ti-6Al-4V合金的耐腐蚀性能较弱，容易被腐蚀。2016.6.26第17页/共24页2016.6.26Ecorr、Ep、Et、Ip、It随Mn含量的变化曲线第18页/共24页Ecorr―自腐蚀电位；Ep―Flade电位，材料处于一次钝化区的低限电位；Et―材料处于一次钝化区的高限电位；Ip―材料处于一次钝化区的低限电流密度；It―材料处于一次钝化区的高限电流密度。第19页/共24页

综上所述，Ti-20Ta-5Mn合金的自腐蚀电位较高，腐蚀倾向较小，而Ti-20Ta合金的腐蚀电位较低，发生腐蚀的倾向较大；Ti-20Ta-1Mn合金的低限电流密度较小易于形成钝化膜，使其腐蚀速率小，而耐腐蚀性能高；Ti-20Ta-1Mn合金的Et-Ep的值较大，从而钝化膜稳定性较高，且Ti-20Ta-1Mn合金的二次钝化区较为明显，所以Ti-20Ta-1Mn合金为较好的生物医用材料。第20页/共24页结论（1）固溶态Ti-Ta-Mn合金的显微组织随Mn含量的增加，由单一的等轴α''相逐渐演变成由α''相和β相组成的双相组织，当Mn含量达到7%后，合金由单一的β相构成，表明Mn元素具有稳定β相的作用。（2）Mn的加入提高两元Ti-20Ta合金的屈服强度、抗拉强度及显微硬度，其中Ti-20Ta-7Mn合金的提高最高，分别由65MPa、610MPa和240HV提高到180MPa、1300MPa和410HV。Ti-20Ta-1Mn合金具有良好的综合力学性能，其屈服强度、抗拉强度及显微硬度值分别达到180MPa、980MPa和270Mpa，同时保持23%的伸长率，其弹性模量也比C.P.Ti和Ti-6Al-4V合金的低。第21页/共24页Ti-20Ta（M0）、Ti-20Ta-1Mn（M1）、Ti-20Ta-3Mn（M3）、Ti-20Ta-5Mn（M5）合金的自腐蚀电位（Ecorr）分别为-0.68V、-0.67V、-0.67V、-0.416V，维钝电流密度（Ip）分别为1.57μA/cm2、0.92μA/cm2、0.93μA/cm2、1.36μA/cm2，钝化区的电位宽度（Et-Ep）分别为0.64V、0.93V、0.84V、0.63V。由此判断它们的腐蚀倾向依M5、M1、M3、M0依