固溶与固溶时效热处理对Ti-6Al-4V合金微观组织及力学性能的影响

通过对Ti-6A1-4V钛合金螺栓紧固件的热处理实验,比较分析了固溶及固溶时效热处理对Ti-6A1-4V紧固件的微观组织分布的影响,并通过显微硬度计得到了螺栓紧固件各个位置的显微硬度分布。实验结果表明:Ti-6A1-4V螺栓经过固溶处理后,初生α组织的数量与尺寸减少而针状α组织的数量增多,并且初生α组织出现了即将溶解的状态。经过固溶时效热处理后,等轴状的初生α相组织变成了大晶粒β相的片层组织,组织分布较为均匀。固溶时效件试样的硬度分布更为均匀,固溶时效可以有效地提高螺栓的硬度,从而达到材料的使用要求。

评价Ti-6Al-7Nb合金的细胞相容性及其组织相容性

目的:评价Ti-6Al-7Nb合金的细胞相容性和组织相容性。方法:实验于2006-05/10在解放军第四军医大学口腔生物学实验室完成。实验分组:①细胞毒性试验:按照GB/T16886.5-2003《医疗器械生物学评价》体外细胞毒性的试验方法进行。分为5组:Ti-6Al-7Nb合金组、Ti-6Al-4V合金组、纯钛组、纯铅组、空白对照组。将对数生长期的L-929细胞用胰蛋白酶消化后制备成浓度为1×107L-1的细胞悬液,接种于培养板,待细胞贴壁生长后弃去原培养液。磷酸盐缓冲液冲洗后分别加入4种金属材料的浸提液和空白对照组的DMEM培养液。培养1,3,5,7d在倒置相差显微镜下观察细胞形态。每孔加入MTT后继续培养,抽出浸提液,磷酸盐缓冲液冲洗后加入二甲基亚砜,在490nm波长下用酶联免疫检测仪上测定吸光度值(A值),计算细胞相对增殖率,相对增殖率=(实验组A值/空白对照组A值)×100%。相对增殖率为≥100%,80%￣99%,50%￣79%,30%￣49%,0￣29%时细胞毒性分别为0,1,2,3,4级。②急性溶血性试验:抽取新西兰兔血10mL,制成新鲜抗凝稀释兔血。将Ti-6Al-7Nb合金、Ti-6Al-4V合金各5g浸泡入10mL生理盐水的试管。阳性对照组及阴性对照组分别为10mL的蒸馏水及生理盐水。每个试管中加0.2mL稀释兔血,离心后取上清液,用分光光度计在波长为545nm波长下测吸光度值,计算溶血率,溶血率=(Dt-Dnc)/(Dpc-Dnc)×100%。Dt,Dnc,Dpc分别代表Ti-6Al-7Nb合金组或Ti-6Al-4V合金组、阴性对照组、阳性对照组的A值。③短期皮下埋植试验:在10只新西兰大白兔皮下至肌肉间制备皮囊植入材料。囊底至切口>10mm,两皮囊间相隔>10mm,使植入材料相互之间不接触。每只兔植入4种金属材料各1个。于术后1,4,12周麻醉后处死动物各3只,取材料周围组织行苏木精-伊红染色,观察炎性细胞数量及种类,使用电子测量尺Version1.0测量纤维包膜厚度。参照GB/T16175-1996中的评价标准确定组织反应程度,其反应程度主要通过试验区组织中炎性细胞数量及种类变化,纤维包膜形成与否及厚度变化评价。结果:①细胞毒性评价:3种钛金属材料浸泡7d时L-929细胞形态正常,生长近汇合,排列密集规则;纯铅组可见大量细胞死亡。浸泡7d时Ti-6Al-7Nb、Ti-6Al-4V、纯钛、纯铅相对增殖率分别为100%,97%,101%,9%。经过评价,Ti-6Al-7Nb合金和纯钛的细胞毒性为0级,Ti-6Al-4V合金为1级,纯铅为4级。②细胞相容性评价:Ti-6Al-7Nb合金组、Ti-6Al-4V合金组溶血率分别0.95%,1.08%,低于国家标准规定的5%界限,无明显的急性溶血性。③组织相容性评价:肉眼可见材料被纤维包膜包裹,3组钛金属周围包膜透明且较薄,纯铅组包膜较厚呈半透明乳白色。术后12周时3种钛金属材料周围炎性细胞密度较低,包膜致密且进一步变薄。纯铅组炎性细胞数量及包膜厚度均较3种钛金属为高,组织反应较重。Ti-6Al-7Nb合金和纯钛炎性细胞/组织反应程度均为Ⅰ级,Ti-6Al-4V合金分别为Ⅰ、Ⅱ级,纯铅分别为Ⅱ、Ⅲ级。结论:Ti-6Al-7Nb合金具有良好的细胞相容性和组织相容性,是一种理想的生物医用钛合金。

Ti-6Al-7Nb钛合金热加工与热处理工艺研究

研究了Ti-6Al-7Nb合金不同热加工与热处理工艺引起的显微组织和力学性能变化,探讨该合金组织变化的特点和性能变化的内在规律。结果表明,在工业化生产条件下,Nb元素添加采用铌钛中间合金,选用适宜的铸锭熔炼工艺参数,可以获得成分均匀、无富Nb偏析的优质铸锭。在两相区锻造或轧制后坯料在700℃～800℃范围内退火,合金组织与性能均能满足ASTM和ISO标准要求。

机械用粉末锻造Ti-6Al-4V-1Nb合金的性能研究

采用不同的粉末锻造温度制备了机械用Ti-6Al-4V-1Nb合金,并进行了力学性能和磨损性能的测试与分析。结果表明:随粉末锻造温度从1250℃增加到1370℃,试样的屈服强度先增大后减小,断后伸长率和磨损体积先减小后增大,试样的耐磨损性能先提高后下降。机械用Ti-6Al-4V-1Nb合金的粉末锻造温度优选为1310℃。

不同包埋材料对Ti-6Al-7Nb合金铸件表面反应层影响的实验研究

目的:研究不同包埋材料对Ti-6Al-7Nb合金表面反应层的影响,筛选出适合于临床应用的包埋材料。方法:利用临床现用的氧化镁系、磷酸盐系、氧化锆系包埋材料分组包埋铸造Ti-6Al-7Nb合金试件,肉眼观察其表面光滑度和粘粉情况;扫描电镜和金相显微镜观察反应层形貌及微观结构;能谱分析仪对反应层元素成分进行分析;显微硬度仪测量反应层硬度及厚度。结果:氧化镁系包埋料组试件表面反应最轻微,未见明显反应层,表面O及其它元素含量极少,表面显微硬度值最低。磷酸盐和氧化锆系包埋料组试件表面反应层可见4层结构,为烧结层、氧化层、包埋料浸入层及金属基体层,并且表面烧结层和氧化层内富含O及包埋料中Al、Zr、Si等元素,随深度增加,包埋料浸入层内O元素含量逐渐减少,仍有少量包埋料中元素成分,直至金属基体层内完全消失,其表面显微硬度值较氧化镁系包埋料组试件高。结论:氧化镁系包埋材料比氧化锆系和磷酸盐系包埋材料更适合于Ti-6Al-7Nb合金。

牙科用Ti-6Al-7Nb合金的体外细胞毒性研究

目的通过MTT试验评价Ti-6Al-7Nb合金的细胞毒性并与现阶段常用的Ti-6Al-4V合金对比.方法依照国家医疗器械标准(GB/T16886),选择L929细胞系做为细胞毒性的实验对象,观察L929细胞在Ti-6Al-7Nb合金离子析出培养液中的生长情况,并通过MTT试验得出细胞在培养第1,3,5,7日的A值.通过计算对Ti-6Al-7Nb合金做出细胞毒性分级评价.结果Ti-6Al-7Nb合金在各时间点的A值均高于Ti-6Al-4V合金,实验组与空白组间无统计学差异(P>0.05).实验细胞在Ti-6Al-7Nb合金浸提液中生长旺盛,细胞形态正常.细胞毒性分组为0级.结论Ti-6Al-7Nb合金没有明显的细胞毒性,是一种理想的生物医用钛合金.

热处理工艺对Ti-6Al-7Nb合金显微组织及力学性能的影响

研究了Ti-6Al-7Nb合金在不同热处理工艺后的显微组织、硬度、拉伸性能和疲劳性能。结果表明：在930℃×30 min/水冷＋600℃×4 h时效热处理后,亚稳定β相中析出的亚微米尺度片层状次生α相使合金得到强化,而一定比例的等轴初生α相提高了合金均匀塑性变形能力,合金的屈服强度为920.1 MPa,抗拉强度为982.4 MPa,伸长率为16.3%,断面收缩率为47.5%,疲劳极限大于490 MPa,满足外科植入物用钛及钛合金加工国家标准要求。

不同热处理方式对Ti-6Al-7Nb合金疲劳强度影响的实验研究

目的:研究不同热处理方法对铸造Ti-6Al-7Nb合金疲劳强度的影响,以探讨提高铸造Ti-6Al-7Nb合金疲劳寿命的最佳热处理方案及其临床可行性。方法:将铸造成符合ASTME466-07疲劳试验标准规格形状的Ti-6Al-7Nb合金铸件分别进行固溶-时效硬化退火(A组),再结晶退火(B组)以及四组等温退火热处理(C1-C4组)。将处理后的试件分别进行拉伸强度试验及拉-拉疲劳试验,记录其拉伸强度和试件断裂时疲劳循环次数。结果:抗拉强度:以固溶+时效硬化组(A)最高,与其他组相比有统计学意义(P<0.05),而其余各组之间差异均无显著性。疲劳寿命:A组最低,与对照组(D)相差不显著(P>0.05),与其他实验组相差均有统计学意义(P<0.05);其次为B组,A、B、D三组均明显低于等温退火C1组(250℃保持)、C2组(300℃保持)、C3组(350℃保持)和C4组(400℃保持),(P<0.05);等温退火C2、C3、C4组的疲劳寿命高于等温退火组C1组(P<0.05)。C2、C3、C4组之间无显著差异(P>0.05)。结论:等温退火300℃～400℃是提高Ti-6Al-7Nb合金疲劳寿命较为理想的热处理方式。

热处理对Ti-6Al-7Nb钛合金组织及性能的影响

制备了细等轴、粗等轴、网篮三种不同初始组织的Ti-6Al-7Nb棒坯,研究了固溶温度、时效温度和时间对Ti-6Al-7Nb钛合金的性能及显微组织的影响。结果表明,试样强度随固溶温度的升高而升高,但超过相变点后,强度有所下降,而塑性则随固溶温度升高明显降低。随时效温度升高,等轴α相尺寸大大增大,含量基本无变化,在550℃时效的样品获得了最大的强化效果。在相同的时效温度(600℃)下,延长时效时间抗拉强度明显提高,但屈服强度基本保持稳定,塑性有恶化趋势。通过热处理形成的等轴α相有利于提高塑性指标,形成的次生条状α相有利于提高强度指标。在本研究中,具有等轴初始组织的棒坯最佳热处理制度为:940℃×1 h,AC+550℃×4 h,AC;网篮初始组织的试样还需要通过其他方法进一步提高塑性。

Ti-6Al-7Nb合金与口腔常用合金间电偶腐蚀的研究

目的:评价Ti-6Al-7Nb合金与3种口腔常用合金在人工唾液中的电偶腐蚀性。方法:运用电化学方法测量Ti-6Al-7Nb合金与纯钛(TA2型)、Ni-Cr烤瓷合金、Co-Cr合金4种金属材料在人工唾液中的自腐蚀电位(Ecorr)塔菲尔曲线,并测量Ti-6Al-7Nb合金与其他3种金属组成电偶对后的电偶电流密度值,分析Ti-6Al-7Nb合金与不同金属偶合后的耐电偶腐蚀能力。结果:Ti-6Al-7Nb合金、TA2、Co-Cr合金和Ni-Cr烤瓷合金的Ecorr值(mV)分别为-111.8±0.02、-156.6±0.03、-246.2±0.07和-298±0.08,两两比较均有显著性差异(P<0.01);Ti-6Al-7Nb合金与TA2、Co-Cr合金和Ni-Cr烤瓷合金组成电偶对后测得的电偶电流密度值(μA/cm2)分别为0.46±0.21、1.37±0.90和2.25±1.52,两两比较均有显著性差异(P<0.01)。结论:Ti-6Al-7Nb合金在人工唾液环境中具有良好的耐腐蚀性能,与牙科常用合金偶合后不会有电偶腐蚀发生。

义齿用Ti-6Al-7Nb合金铸件挠度的研究

目的:通过对相同长度、宽度、不同厚度的Ti-6Al-7Nb合金铸件挠度的测量,观察铸件厚度与挠度的关系,为确定Ti-6Al-7Nb合金铸造义齿基托的适合厚度提供实验依据。方法:参照ISO关于义齿基托材料挠度的标准,测量不同厚度Ti-6Al-7Nb合金铸件的挠度,并与纯钛、Ti-6Al-4V合金及Co-Cr合金对比。结果:Ti-6Al-7Nb合金、纯钛及Ti-6Al-4V合金铸件的厚度在0.65mm时可以达到义齿基托挠度的标准;Co-Cr合金在0.57mm时可达到标准要求。结论:在临床制作Ti-6Al-7Nb合金义齿基托时,厚度应不低于0.65mm。

退火温度及加工变形量对Ti-6Al-7Nb合金棒材组织与力学性能的影响

制备了外科植入物Ti-6Al-7Nb钛合金棒材,研究了不同退火温度和变形量对Ti-6Al-7Nb钛合金组织和力学性能的影响。结果表明,材料在700~880℃退火能得到良好综合性能;当变形量达到50%及以上时,棒材组织发生明显破碎和细化,随着变形量增加,细化程度变大,棒材的强度明显提高,而塑性变化不大。

外科植入用Ti-6Al-7Nb钛合金的工艺、组织和性能

采用多次真空自耗电弧炉熔炼制得直径600 mm、重量约3 t的Ti-6Al-7Nb铸锭,其成分及成分均匀性良好.合金铸锭经过β锻造开坯,而后在α+β相区加工,制得直径16-100 mm的棒材,该棒材组织为α+β相区加工的弥散分布的α+β组织,其力学性能(σb:900-1030 MPa;σ0.2 : 800-945 MPa;δ5:13%-19%;ψ:26-47%)符合ISO和ASTM标准.

外科植入物用Ti-6Al-7Nb合金板棒丝材制备及性能表征

在工业生产条件下,通过熔炼、锻造和轧制工艺制备出不同规格的外科植入物用的Ti-6Al-7Nb合金板、棒、丝材,表征了不同规格材料的组织与性能,进行了Ti-6Al-7Nb合金材料体外细胞毒性试验、刺激与迟发型超敏反应试验、污染物致突变性检测和骨植入试验。研究结果表明:板、棒、丝材组织与性能均满足GB 23102—2008、GB/T13810—2007和ASTM F1295标准要求;Ti-6Al-7Nb合金材料不含毒性组元,生物相容性好,是一种比Ti-6Al-4V合金更理想的外科植入物材料;多种形式植入件的近百例临床使用效果良好,适合临床应用。

Ti-4Al-5Mo-6Cr-5V-1Nb合金的热变形行为及组织演变研究

采用Gleeble-3800动态模拟实验机,研究了亚稳β钛合金Ti-4Al-5Mo-6Cr-5V-1Nb在变形温度700~900℃、应变速率0.001~1s^(-1)、变形量10%~50%的热变形行为,分析了该合金在热变形过程中的组织性能演变规律。结果表明:随变形量的增加,合金的流动应力曲线变化不大,主变形区组织畸变程度增大,且变形晶的动态再结晶增加;随变形温度的增加,合金的峰值应力及稳态流变应力呈降低趋势,组织变形趋于均匀分布,动态再结晶程度亦增加,且因应力诱发相变导致组织在稍低于相变点的790℃完全转化为β相;随应变速率增加,合金的峰值应力及稳态流变应力增加,组织变形不均匀程度增加,动态再结晶程度降低。该合金为变形温度、应变速率敏感型材料,其温度敏感性随应变速率的增加而逐渐增强,应变速率敏感性随温度的增加而逐渐减弱。

Ti-45Al-10Nb合金的高温氧化行为

研究了Ti-45Al-10Nb(原子分数,％)合金在800～960℃在氧气和空气中的氧化行为。结果表明,该合金具有较好的高温抗氧化性能,其氧化增重速率与铁基耐热不锈钢相似或略优。与Ti-50Al合金相反,Ti-45Al-10Nb合金在空气中的氧化增重速率明显低于在纯氧中的氧化增重速率。X射线衍射与能谱分析表明,Ti-45Al-10Nb合金在氧气中的氧化产物主要有TiO_2和Al_2O_3,但在空气中的氧化产物中有TiN相。这是降低氧化速率的主要原因,同时,合金元素Nb稳定了氧化层中的TiN相,因而提高了合金在空气中的抗氧化性能。

热处理和合金元素对Ti-6Al-7Nb合金显微组织及机械性能的影响

Ti-6Al-7Nb虽然是Ti-6Al-4VELI材料和典型的生体用钛合金，但是关于热处理条件及合金元素对其显微组织和机械性能的影响几乎还没有研究。因此在投入大量生产制造时，就有必要研究最佳热处理条件，并且掌握好在成分规格范围内的合金元素的作用。所以，在本研究中调研有关热处理条件对本合金的显微组织及机械性能的影响。另外，认为对强度贡献很大的α-相稳定化元素，即主要是指合金元素Al和微量添加元素O，对该合金机械性能的影响也一并同时进行调查。

热处理温度对Ti-6Al-7Nb合金组织与性能的影响

为揭示Ti-6Al-7Nb合金显微组织、力学性能及相组成随热处理温度的变化规律,研究了合金在650~1 030℃热处理空冷条件下的组织演变,并进行了室温力学性能测试与XRD分析。结果表明:对于Ti-6Al-7Nb合金,经650℃热处理后,热加工得到的原β转变组织中析出了细小的α相,合金的强度和弹性模量有所提高。在700~850℃之间进行热处理,可以获得良好的综合性能,满足医用钛合金相关标准要求。在950~1 030℃范围内,随着热处理温度的升高,析出二次针状α相或生成α’马氏体相,呈现强度上升、塑性下降的趋势。经650、850℃热处理后,XRD图谱中均为α相的衍射峰,未出现β相的衍射峰。1 030℃热处理后,α’相具有较强的(002)、(101)衍射峰,其他晶面的衍射峰强度很弱,合金弹性模量可达108 GPa。