多孔鈦及其合金的制備及性能研究.pdf

1、多孔鈦及其合金綜合了鈦及鈦合金與泡沫金屬的特性,是一種新型的結(jié)構(gòu)、功能材料。其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括作為催化劑載體、航天飛行器的夾層板、熱交換器等,良好的耐腐蝕性、生物相容性及特有的多孔結(jié)構(gòu)特性可以為骨組織細(xì)胞的生長提供優(yōu)越的環(huán)境,為其在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用提供廣泛的前景。從目前的發(fā)展?fàn)顩r來看,由于經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上的因?yàn)?多孔鈦及其合金的應(yīng)用仍然限制在部分特殊領(lǐng)域,另外許多開發(fā)應(yīng)用只限于實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi),離工業(yè)應(yīng)用的要求仍有一段距離。因此對于多孔鈦

2、及其合金系統(tǒng)性的研究對其發(fā)展應(yīng)用起著決定性的作用。
　　 本文利用混合元素粉末冶金法成功制備了具有可控多孔結(jié)構(gòu)的鈦及其合金。通過原料和工藝參數(shù)的改變得到孔隙率在55％-75％多孔鈦。采用正交實(shí)驗(yàn)法研究了原料和工藝參數(shù)對孔隙率的影響規(guī)律,方差分析的結(jié)果表明:壓制壓力對燒結(jié)坯的孔隙率影響最大,其次是造孔劑尺寸。隨著造孔劑尺寸的減小、粘結(jié)劑含量及燒結(jié)溫度的增加,孔隙率均呈減小趨勢。而孔隙率隨壓制壓力的增加先下降后上升。
　　

3、為了實(shí)現(xiàn)對多孔結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確表征,利用圖像處理技術(shù)(Image-Pro Plus)分析了多孔鈦不同的結(jié)構(gòu)參數(shù),包括孔尺寸及尺寸分布,孔壁厚度和圓度值。結(jié)果表明多孔鈦的平均孔尺寸為600μm,其孔壁厚度為100～200μm,90％以上的孔圓度值超過了0.5,平均值為0.72。
　　 通過正交實(shí)驗(yàn)法研究了工藝過程參數(shù)對多孔鈦性能的影響規(guī)律。壓縮實(shí)驗(yàn)測得的多孔鈦的楊氏模量在1.38-6.90GPa范圍內(nèi),平臺應(yīng)力在4.51-24.70MP

4、a范圍內(nèi)。方差分析的結(jié)果表明在本實(shí)驗(yàn)的參數(shù)選擇范圍內(nèi),造孔劑尺寸和工藝參數(shù)對楊氏模量沒有明顯的影響。而壓縮平臺應(yīng)力隨著壓制壓力的增加先上升后下降,與孔隙率隨壓制壓力的變化規(guī)律正好相反。
　　 對于多孔鈦壓縮斷面形狀分析的結(jié)果表明:壓制過程中的應(yīng)力分布決定了材料的密度分布,進(jìn)而決定了材料的強(qiáng)度分布,因此多孔鈦的壓縮斷裂面呈現(xiàn)倒V型形狀。
　　 通過添加合金元素鐵和鎳,研究了合金元素對多孔鈦合金組織及性能的影響規(guī)律。添加合金

5、元素鐵之后,多孔鈦鐵合金的基體由α-Ti相、α-Ti和β-Ti的共析體組成。鐵含量較少時(shí),由于第二相的強(qiáng)化,多孔鈦的楊氏模量從3.01GPa分別提高到4.27GPa(Ti-2wt.％Fe)和4.11GPa(Ti-4wt.％Fe),然而由于孔壁上孔洞的存在,其壓縮強(qiáng)度保持在72MPa左右。當(dāng)鐵含量為6wt.％時(shí),Kirkendall效應(yīng)致使孔壁上的部分微孔體積增大,導(dǎo)致材料楊氏模量和壓縮強(qiáng)度均明顯下降。鎳的加入使α-Ti基體得到一定細(xì)化。

6、當(dāng)鎳的添加量較少時(shí),材料中形成α-Ti相及α-Ti與β-Ti的共析體,但鎳含量達(dá)到6wt.％時(shí),材料中出現(xiàn)了Ti2Ni金屬間化合物。鎳含量為2wt.％和4wt.％時(shí),多孔材料的壓縮強(qiáng)度分別提高至112.59MPa和96.31MPa,楊氏模量提高到4.26GPa和3.73GPa,但鎳含量為6wt.％時(shí),由于燒結(jié)過程中液相過多,材料壓縮強(qiáng)度和彈性模量反而減小。
　　 利用燒結(jié)機(jī)制的概念,研究了合金元素對多孔鈦合會燒結(jié)機(jī)制的影響。通過

7、分析材料的膨脹/收縮曲線發(fā)現(xiàn)多孔鈦、多孔鈦鐵及鈦鎳合金的燒結(jié)過程約在1200℃的時(shí)候存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),在低溫?zé)Y(jié)階段,少量的鐵和鎳均會降低線收縮速率,但高溫?zé)Y(jié)階段,鐵和鎳的加入明顯加快了線收縮速率。然而,其燒結(jié)機(jī)制較為復(fù)雜,不能用單一的燒結(jié)機(jī)制來描述此過程,燒結(jié)過程不僅受到粉末顆粒性能的影響,還受到多孔結(jié)構(gòu)的影響。
　　 利用有限單元法模擬了不同孔結(jié)構(gòu)對多孔材料性能的影響。二維模擬結(jié)果說明:隨著相對密度的增加,有效楊氏模量呈上升

8、趨勢；相對密度相同時(shí),孔洞沿壓縮方向上的尺寸減小會降低有效模量；同種孔形狀的不規(guī)則排列方式也會降低多孔材料的有效性能。另外根據(jù)多孔材料孔結(jié)構(gòu)及孔壁結(jié)構(gòu)特征,分別引入了3D多孔模型和3D顆粒模型。簡單立方(SC)排列方式下材料的相對楊氏模量最高,而面心立方(FCC)和體心立方(BCC)排列方式會降低相對楊氏模量,另外橢圓形孔也會降低有效楊氏模量；相對密度與相對楊氏模量符合冪函數(shù)關(guān)系。與多孔模型不同的是,顆粒模型都存在一個(gè)相對密度范圍,楊氏

9、模量與相對密度呈線性變化。
　　 根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了多孔材料彈性模量的預(yù)測模型。定義了宏觀和微觀相對密度兩個(gè)狀態(tài)參數(shù),建立了雙尺度模型。微觀模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的很好,因?yàn)榭妆谑怯沙叽?、形狀類似的鈦粉末顆粒燒結(jié)而成的,結(jié)構(gòu)相對均勻；然而由于宏觀孔洞結(jié)構(gòu)不均勻性的影響,例如孔尺寸、形狀和空間位置分布的不均勻性對材料性能的影響,宏觀模型的預(yù)測值要比實(shí)驗(yàn)值高。
　　 利用COMSOL計(jì)算了密度不均勻材料中的應(yīng)力分布,結(jié)果說明