| 题名 | 电子束熔化技术制备多孔Ti-6Al-4V合金及其力学性能研究 |
| 作者 | 程旭莹 |
| 学位类别 | 硕士 |
| 答辩日期 | 2012 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 郝玉琳 ; 杨锐 |
| 关键词 | 医用钛合金 多孔Ti-6Al-4V 电子束熔化 压缩性能 疲劳性能 biomedical titanium alloys cellular Ti-6Al-4V electron beam melting compressive properties fatigue properties |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | "多孔金属材料具有密度小、孔隙率高、比表面积大、模量低、良好的强度和能量吸收性等优点，在人体硬组织修复和替代材料领域具有潜在的应用前景。本文利用添加加工（Additive Manufacture: AM）的电子束熔化（Electron Beam Melting: EBM）制备技术，成功制备出随机泡沫结构和规则网格结构两类高孔隙率的多孔Ti-6Al-4V合金，并对其微观组织、孔结构和力学性能进行了研究。 通过计算机断层扫描技术（Computed Tomography: CT）获得商用铝合金泡沫的随机泡沫结构，通过Materialise/Magics商用软件设计菱形十二面体密堆积结构的规则网格结构，建立AM-EBM加工所需的CAD模型。通过模型尺寸的线性变化，获得两种结构孔隙率和孔尺寸的变化。采用低间隙Ti-6Al-4V合金粉末，通过CAD模型的程序控制，利用Arcam A1型AM-EMB设备，成功制备出孔隙率为90%~92%的泡沫结构和62%~86%的网格结构的多孔合金。 制备的多孔合金均为针状组织，以α′马氏体相为主体，此外还含有极少量的β相。针状马氏体组织的形成说明合金的冷却速度较快，无法通过高温β相的扩散相变产生α相，这与电子束的微区快速熔化和快速冷却特点相一致。α′马氏体相的尺寸随着孔隙率的减小而细化。这是由于多孔结构孔棱的几何尺寸随着孔隙率的减小而减小，冷却固化速度增加。显微硬度的测量结果与组织观测结果一致，即组织细化，硬度增加。 多孔Ti-6Al-4V合金的动态杨氏模量和压缩强度随孔隙率的增加而降低，其中动态杨氏模量为0.2~6.3GPa，压缩强度为4~113MPa，与人体骨组织的生物力学性能基本匹配。其相对模量、相对强度与相对密度的关系基本符合Gibson-Ashby模型。与其他传统金属泡沫比较，在比模量相当的条件下，该方法制备的多孔Ti-6Al-4V合金具有比强度高的特点。多孔Ti-6Al-4V合金的压缩变形特征为典型的脆性断裂，这主要与快速冷却形成的马氏体相具有较低韧性相关联。对比两种结构的多孔合金的压缩变形行为，发现孔结构特征对压缩变形行为有显著影响：规则网格结构的断裂优先发生于孔棱结点处，而不规则泡沫结构的初始断裂则多发生于孔棱中部；前者的变形带总是沿着加载轴45°方向形成，而后者在45~90°方向随机产生。通过应力与结构的模拟分析，对规则网格结构变形带的产生进行了较好的解释。 规则网格结构Ti-6Al-4V合金的疲劳失效机制为孔棱循环蠕变和疲劳裂纹的萌生与扩展共同作用，其中前者是决定疲劳寿命的主要因素。在循环加载过程中，位错通常沿着孔棱中α′的相界面产生，并且随着相对密度的提高这种现象愈加明显。这一位错密度的增加有利于对多孔材料循环蠕变效应的阻滞，从而提高其疲劳强度。规则网格结构Ti-6Al-4V合金的相对疲劳强度和相对密度可按照Gibson-Ashby模型的线性关系拟合，但是其指数项n值约为2.7。 |
| 公开日期 | 2013-04-12 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://210.72.142.130/handle/321006/64515]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 程旭莹. 电子束熔化技术制备多孔Ti-6Al-4V合金及其力学性能研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所. 2012. |
| 个性服务 |
| 查看访问统计 |
| 相关权益政策 |
| 暂无数据 |
| 收藏/分享 |
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。
修改评论