谷一开题报告.doc

学号 2010230006 昆明理工大学硕士研究生学位论文 开题报告书 专 业 材料物理与化学 姓 名 谷 一 入 学 时 间 2010年09月 导 师 张 玉 勤 教授 拟定的论文题目 放电等离子烧结TNZS医用钛合金微观组织及力学与腐蚀性能研究 报 告 日 期 2011年12月10日 研究生院 1、论文选题的国内外研究动态及现状 金属材料是应用最早，而且在目前临床中应用最为广泛的生物医用材料。最初应用于临床的金属材料是具有一定抗蚀性的316L型不锈钢。由于医用不锈钢的生物相容性较差[1]，后来又开发了钴基合金，主要用来制造人工关节。其生物相容性有较大提高，但合金中Co、Ni等离子的溶出，也会引起过敏和毒性反应，造成组织坏死和植入物的松动。紧随其后，随着钛及钛合金在飞机上的成功应用，它们也逐渐进入到医学领域。钛无生物毒性、比强度高、耐腐蚀，这三个基本性质奠定了钛及其合金作为骨替代与骨修复材料的基础，支撑了钛合金在医用植入领域的广泛应用，如髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等人工关节，髓内钉、钢板、螺钉等骨创伤产品，牙种植体、托槽、牙矫形丝，脊柱矫形内固定系统，人工心脏瓣膜、介入性心血管支架[2]。就综合性能而言，还没有比钛合金更好的医用植入金属材料。Ti-6A1-4V曾作为外科修复材料广泛应用于临床。但由于钒具有生物毒性[3]，20世纪70至80年代，欧洲开发了出了无钒的医用钛含金。到20世纪90年代中期，生物相容性更好、弹性模量更接近入骨的各种β型钛合金被相继开发出来（如：Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0.2Pb，Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd等）。其综合性能均优于传统的Ti-6Al-4V、316L不锈钢以及钴基等合金，钛及钛合金因具有良好的耐蚀性、力学性能和生物相容性，成为最具发展前景的医用金属材料[4]。 近来研究表明：钛合金应用在临床上出现“应力屏蔽”[5]而导致种植失败的主要原因是植体与本体模量的不匹配。采用钛合金多孔材料很容易获得低弹性模量，但强度同时下降，当弹性模量与人骨匹配时多孔材料的强度却低于人骨强度，其抗疲劳性能差更是一个影响使用安全可靠性的难题，因此多孔材料只能用于非重载的承力骨，对于髋、膝关节和脊柱等主承力结构，仍不得不采用高模量的实心钛合金[6]。为了解决这一主要问题，研究人员发现在纯Ti中加入生物相溶性好的Nb、Zr、Sn等合金元素，获得了一系列低弹性β钛合金。其中Ti-24Nb-4Zr-8Sn 合金的弹性模量低达33GPa，是目前所知钛合金中弹性模量最低者，已经非常接近天然骨骼的弹性模量[7]。但是由于所加入的Nb、Zr等合金元素均属于高熔点的重合金元素，从目前的冶炼钛合金的方法来看，均以常规冶炼为主（真空自耗电弧炉或真空钨极电弧炉熔炼），烧结温度高，在制备过程中容易出现材料氧化现象，而钛在高温中很活泼，很容易和炉的腔体发生反应，从而给材料本体带来杂质，从而出现成分偏析、组织不均匀以及夹杂、孔洞等缺陷。因而，采用熔炼法制备的钛合金在后续处理过程中出现了材料开裂、氧化、耐腐蚀性能缺陷。真空粉末冶金的方法制备能够有效的改善材料氧化、成分偏析、组织不均匀等现象。但是传统无压粉末冶金的方法由于烧结温度高和烧结保温时间长，制备出来的合金晶粒较大，当中存在孔隙，相对致密度低，会导致材料性能总体下降[8]。 放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，简称SPS）是一种新型特种粉末烧结成形技术，其利用脉冲直流电激活晶粒表面，击穿孔隙内残留空气，通过局部放电产生等离子体，同时会瞬间产生局部高温，在晶粒表面引起蒸发和融化，从而促使材料实现快速烧结[9]。SPS技术克服了传统烧结中颗粒表面的惰性，且使颗粒间有了主动作用力，从而SPS烧结不但具有烧结温度低、烧结时间短等特点，还可以获得保持原始材料自然状态的组织细小、均匀的高致密材料。故本研究拟用放电等离子烧结的方法（SPS）来制备Ti-Nb-Zr-Sn合金以解决上述因采用传统工艺方法制备材料而带来的问题，最终获得高致密度、组织均匀细小、无氧化和缺陷且综合性能优异的放电等离子烧结Ti-Nb-Zr-Sn合金制备技术及其微观组织结构演变规律。课题的研究将为实现钛合金结构优化、改善合金性能、开发新型生物医用钛合金及制备技术提供解决方法与途径，对生物医用钛合金在人造植入体材料临床上的普遍应用具有推动意义。 参考文献：