激光成形制备生物医用钛合金材料研究进展

激光成形制造技术是在快速原型技术的基础上结合激光加工技术发展起来的一项高新制造技术.它能够通过不同的加工方式调整结构及功能零件的性能,满足复杂致密或者多孔钛合金生物医用材料的成形需求,实现医用钛合金零件的个性化设计和制备,因此在医用钛合金人工肢体和植入体领域方面具有巨大的应用潜力.目前在制备生物医用钛合金材料领域研究较多的激光成形制造技术主要有激光立体成形和选择性激光烧结/熔化.本文综述了这两种激光成形制造在生物医用钛及钛合金制备方面的应用情况和研究现状,并指出了该领域未来的发展趋势.     

钛对D型石墨铸铁组织和性能的影响

研究了钛对灰铸铁组织和性能的影响。试验表明,不同含量的钛对灰铸铁组织和性能产生不同的影响。在一定含量范围内,钛促进灰铸铁D型石墨的形成,改善灰铸铁石墨形态,并提高灰铸铁的强度性能。对钛对灰铸铁组织和性能作用的机理提出了看法。     

基于TPMS结构的多孔钛制备与表征

多孔钛因具有与人体骨组织相近的弹性模量和允许骨长入的孔隙结构而备受关注。其孔隙结构特征不仅影响骨长入效果,而且决定了多孔钛的力学性能。通过三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces,TPMS)隐函数参数的精确调控可以构建出理想的孔隙结构模型。本实验针对TPMS模型中常用的G单元模型,研究了G单元模型隐函数参数对孔隙率、孔径、杆径等孔隙结构特征的影响规律,设计出了孔隙率约为77%,孔径分别为300(G300)、500(G500)微米的均质孔隙结构;模仿自然长骨径向梯度结构模型,构建了相应的G单元仿生梯度孔隙结构。采用选区激光熔化(SLM)增材制造技术制备了相应的多孔钛样件,利用数字显微镜和扫描电镜观测多孔钛的孔隙结构特征,发现SLM多孔钛实测孔隙率低于设计孔隙率,实测孔径小于设计值,实测杆径大于设计值。力学性能检测结果显示,G300和G500多孔钛弹性模量分别为2.04和3.12GPa,其最大抗压强度分别为63.5和103.5MPa,梯度孔隙结构多孔钛弹性模量和最大抗压强度分别为6.3 GPa和186.9 MPa。研究结果表明,G单元梯度孔隙结构多孔钛是一种理想的承重部位骨缺损修复体。     

微纳超疏水钛合金表面的制备及其性能研究

目的 制备超疏水自清洁的Ti6Al4V合金表面。方法 首先使用飞秒激光在Ti6Al4V合金表面预制备微米级结构,然后将预制备的样品置于1.0 mol/L的氢氧化钠溶液中,在超声水浴状态下进行电化学去合金,获得微纳米复合结构。经表面改性后,得到微纳超疏水钛合金表面。结果 经复合制备的微纳超疏水表面结构由微米级的梯形凸柱阵列,以及通过电化学去合金形成的三维纳米孔洞骨架和沉积的微米或亚微米金属氧化物组成。经过表面改性后,该微纳复合结构表面呈现优异的超疏水性,其接触角可达162.5°,滚动角低至3.4°。自清洁性能测试结果表明,该微纳超疏水钛合金表面展现出优异的低黏附性和自清洁性,1滴水对表面的清洁效率达到99.8%。激光加工参数与静态水接触角之间的关系表明,接触角与扫描间距呈负相关,与能量密度、重复次数呈正相关。结论 飞秒激光结合电化学去合金方法制备的具有微纳结构的钛合金表面呈现出优异的超疏水自清洁性能,通过改变激光加工参数能够有效增大表面的静态水接触角,为后续研究提供了一定参考。     

柱状晶CuAlBe合金丝的性能

用热型连铸法制备具有柱状晶组织的CuAlBe合金丝,并比较其与单晶CuAlBe的性能。试验结果表明,柱状晶与单晶一样具有优良的超弹性及应变恢复率,其弯曲疲劳寿命介于单晶的抛光与未抛光状态之间。CuAlBe柱状晶合金加热到500℃时组织无变化,加热到700℃时析出α相,使焊接后的应变恢复率稍有下降。CuAlBe柱状晶合金可进行不小于30%的塑性变形。     

陶瓷基负磁导率材料的制备和性能

设计并制备了由开口谐振环（split ring resonators）周期性排列而成的陶瓷基负磁导率材料，采用微波波导法研究了陶瓷基板对负磁导率材料电磁谐振行为的影响。实验结果表明：负磁导率材料的谐振频率可由陶瓷基板介电常数调节，并且随陶瓷基板介电常数的增加而减小。当陶瓷基板的微波损耗增大时，其谐振效应减弱，并且可能伴随负磁导率的消失。陶瓷基板介电常数的增加导致开口谐振环单元的等效电容增加，从而引起谐振频率的减小。     

离心机转速对再生复合材料辊环组织和性能的影响

利用废旧辊环,通过重熔和离心铸造法制备了再生复合材料辊环,重点研究了离心机转速为800r/min和1000r/min时制备的再生复合材料辊环的组织和性能。样品的微观组织检测表明:再生复合材料辊环由WC颗粒大量分布的外层和Fe-C合金内层组成,离心机转速高的外层内WC增强颗粒体积分数较大。力学性能测试表明:800r/min转速下制备的再生复合材料辊环,其外层和内层的硬度分别达到HRC49、HRC42,冲击韧性分别为3.1J/cm2、5.1J/cm2。离心机转速提高到1000r/min时,外层和内层的硬度分别增加达到HRC58、HRC49,冲击韧性分别降低为2.3J/cm2、4.1J/cm2。     

Pb-Al层状复合电极材料制备与性能初探

以Pb-Al层状复合电极材料与传统Pb合金电极为研究对象,通过在Pb与Al合金之间引入过渡金属Sn,通过物理场热镀膜及热包覆的方法制备Pb-Sn-Al层状复合电极材料,与Pb合金电极对比研究了其物理性能及电化学行为;测试了电阻分布、质量、电极极化曲线、耐蚀性、槽电压等.结果表明:与传统Pb合金电极相比,其电阻减少24%,质量减轻37.6%,电极极化电位降低2.3%,腐蚀损耗降低90.8%,槽电压降低200mV.因此Pb-Sn-Al层状复合电极材料是一种密度小、导电好、耐腐蚀的电极材料,有着重要的开发应用前景.     

钛表面三维连通纳米多孔结构膜层研究

采用阳极氧化法在电解液NaF水溶液中制备三维连通纳米多孔结构膜层。利用SEM、EPMA、XRD和XPS等方法对多孔膜层的表面形貌、相组成、成分组成进行研究。结果表明:不同浓度的NaF水溶液对多孔膜层的表面形貌、结构特征及孔径尺寸有较大影响;浓度为0.8mol/L时,制备的多孔膜层结构均匀,孔洞呈三维连通状。多孔膜层由Ti、O、Na3种元素组成,物相组成主要有TiO2和少量的Na2TiO3。     

韧性材料对页岩气压裂井水泥环界面完整性影响

目的 提高页岩气井多级压裂过程中水泥环界面完整性。方法 针对4种在页岩气井中使用的水泥浆体系,基于水泥环完整性评价装置,开展在循环压力条件下水泥环界面完整性实验。采用高精度流量计、扫描电镜和核磁共振等监测手段,定量检测环空气窜速率,探索水泥环在加载前后的微观结构变化。根据实验装置基础参数,采用有限元方法模拟循环加载过程水泥环界面的损伤演化情况。结果 常规水泥浆、18%(均为质量分数)胶乳剂水泥浆、36%胶乳剂水泥浆、18%胶乳剂加1%增韧剂水泥浆,其环空气窜速率分别为722、300~677、20~45、10~25 mL/min。经循环载荷作用后,常规水泥浆在水泥环本体出现明显径向裂缝和界面微环隙,且水泥浆水化产物较疏松;36%胶乳剂水泥浆仅在水泥环界面产生较小的微环隙,水化产物在界面处较致密,水泥石孔径较小。在循环载荷作用下,水泥环界面孔隙显著增加,界面处产生塑性应变并不断增加。结论 胶乳剂和韧性剂材料可有效填充水泥颗粒之间的间隙,降低水泥石孔径尺寸。胶乳剂通过改善水泥环的微观形态结构,避免在本体产生裂缝,提高了界面密封性能。增韧剂对水泥颗粒产生较强的粘结作用,与胶乳剂的配合使用进一步增强了水泥环界面的密封效果,两者共同作用可显著提升水泥环空密封能力。在循环载荷作用下,水泥环界面易形成微环隙,为环空气体提供了窜流通道,造成环空带压。现场采用添加18%胶乳剂加1%增韧剂的韧性水泥浆体系开展固井施工,水泥石力学性能能够满足水泥石强度大于30 MPa和弹性模量小于7 GPa的性能要求。同时,使用韧性水泥浆的井段固井质量也较好,后续压裂施工过程也未见环空带压问题。通过合理优选韧性水泥浆添加剂含量,能够为环空提供良好的密封效果,提升水泥环的密封完整性。     

稀土掺杂对钼条及钼丝组织和性能的影响

本文采用液-液掺杂的方式,将单一稀土或复合稀土的硝酸盐掺入钼酸铵溶液中得到掺杂钼酸铵,然后通过粉末冶金的方法制得钼合金坯条,再经过旋锻、拉拔得到掺杂钼合金丝材样品。采用拉伸试验机、金相显微镜等测试手段研究了镧、钇和镧钇复合稀土掺杂对钼坯条及钼丝材性能的影响规律。研究结果表明,稀土掺杂可显著提高钼合金丝的高温强度和弯折性能,相比于单一稀土元素掺杂,镧钇复合掺杂可获得更好的高温力学性能。镧钇复合掺杂钼合金再结晶组织呈现等轴晶和锁状燕尾搭接晶的混合组织。     

钛及钛合金植入体表面微纳结构制备技术及生物性能研究进展

对国内外医用钛及钛合金植入体表面微纳结构制备技术的研究现状进行综述。介绍了喷砂、微切削和激光等机械加工方法,等离子喷涂、溅射等物理方法,酸蚀、碱热处理、阳极氧化等化学处理方法在钛及钛合金植入体表面制备的微纳结构,概述了微纳结构对钛及钛合金植入体生物相容性的影响。最后,总结各种制备方法的优劣,并结合目前医用钛及钛合金植入体表面微纳结构研究中存在的问题,指出了植入体表面微纳结构制备方法的发展趋势。     

硬质合金刀具材料主要物理力学性能对钛合金铣削加工的影响

本文主要研究了硬质合金刀具材料的物理力学性能对其铣削钛合金表现的影响。两种含钴量(分别为13%和12%)和晶粒度(分别为0.5μm和0.4μm)相近的超细硬质合金材料具有不同的韧性、强度和硬度,并被同时用于铣削Ti-6%Al-4%V钛合金。结果表明使用强度和韧性较好的合金制成的刀具耐用度更高,更合适用作钛合金铣刀的基材。这主要由于与普通钢材(如45#钢)相比,钛合金铣削加工时的切削阻力更大,需要刀具材料足够强韧来支持切削过程中刀具刃口的完整性。     

注射成形制备多孔钛及其性能

以氯化钠作为造孔剂,利用金属注射成形(MIM)工艺制备多孔钛。研究烧结温度、造孔剂粒度和含量对多孔钛孔隙度、微观形貌和力学性能的影响。结果表明,随着烧结温度的升高,多孔钛的孔隙度逐渐下降而抗压强度和弹性模量逐渐升高;随着造孔剂粒度的减小,多孔钛的孔径也随之减小;随着造孔剂含量的增多,多孔钛的孔隙度逐渐增大;MIM多孔钛植入体的最佳烧结温度为1100～1200℃,NaCl的最优粒度为150～250μm。     

镧-氟共掺杂二氧化钛结构及催化性能研究

以钛酸丁酯、硝酸镧和氟化钠为原料,采用溶胶-凝胶法对TiO2进行La及F共掺杂改性,以光催化降解亚甲基蓝为探针,考察掺杂组分对催化剂紫外光活性的影响。采用X射线衍射(XRD)、低温氮气吸附(BET)、紫外-可见漫反射(UV-Vis)和荧光光谱分析(PL)等手段对催化剂的晶体结构、比表面积、带隙能及催化剂中电子-空穴对的复合性能等进行表征,尝试揭示掺杂组分对光催化活性影响的机制。结果表明,掺杂改性催化剂中,适量La和F组分的作用在于通过抑制催化剂的晶粒长大、减少团聚,同时降低带隙能且降低光生电子和空穴的复合几率,来提高催化剂的光催化活性。     

Ti-xCr-yCu钛基材料的制备及组织性能研究

研究了Al-Cu-Li-(0.35Mg)-(0.2In)合金的拉伸性能、时效析出相类型及其分布。T6峰时效时,Al-Cu-Li合金的时效析出相为T1(Al2CuLi)和?? (Al2Cu)相。添加0.2%In时,T6态时效早期形成许多方块状的立方相Al5Cu6Li2,且随时间延长其尺寸保持稳定;同时,可促进? ?相析出;相应合金的时效响应加速,强度提高。同时添加In和Mg可抑制Al5Cu6Li2相析出,但促进T1相析出。In和Mg的复合微合金化效果小于2050铝锂合金中Ag和Mg的复合微合金化效果,因而In+Mg复合微合金化铝锂合金T6态强度低于Ag+Mg复合微合金化的2050铝锂合金。T8态时效时,时效前预变形产生的位错抑制了In元素单独添加和In+Mg复合添加的微合金化效果。     

钼合金Si-Cr-Ti-SiC-MnO2涂层的制备与组织性能

目的提高钼合金表面红外辐射性能与高温抗氧化性能。方法将40%Si、20%Cr、5%Ti、5%SiC、30%Mn O_2五种粉末与酒精、粘结剂按比例混合,经高能球磨6 h后制得均匀悬浮的料浆。采用浸涂工艺对预处理的钼合金试样进行料浆涂覆,在1450℃真空烧结0.5 h后制得黑色涂层试样。通过1550℃高温静态氧化试验和高温粒子薄片红外光谱综合实验系统,分别评价涂层抗氧化性能和红外辐射性能,并通过扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射仪(XRD)对涂层氧化前后的形貌与组织结构进行分析。结果钼合金Si-Cr-Ti-SiC-Mn O_2涂层在700、900℃的法向发射率分别达0.85、0.88,在1550℃高温有氧环境下的静态抗氧化寿命达7 h。原始涂层呈四层复合梯度结构,由外到内分别为SiO_2+Mn3O_4+M5Si3(M指Mo、Cr、Ti)、M5Si3+Mo Si2+SiC+Mn3O_4、Mo Si2、Mo5Si3。高温氧化后,涂层四层复合结构由外到内转变为SiO_2+(Cr,Ti)5Si3+Mn Cr2O_4+Mn3O_4、M5Si3+SiC+Mn Cr2O_4+Mn3O_4、Mo Si2、M5Si3。高温氧化过程中,MSi2高硅化物层逐渐转变为M5Si3低硅化物层,涂层表面形成含Mn Cr2O_4尖晶石相和复合硅化物的致密SiO_2玻璃膜。结论 Si-Cr-Ti-SiC-Mn O_2涂层可有效提高钼合金基体的红外辐射性能和高温抗氧化性能,复合硅化物与硅锰复杂氧化物具有良好的抗氧化性能、高辐射性能和自愈合性能。     

钛基梯度功能材料的复合结构研究进展

介绍了钛基梯度功能材料复合结构的概念和开发背景，回顾了近些年来在钛基梯度功能材料宏细观尺度研究方面所取得的研究成果，并对钛基梯度功能材料复合结构的发展趋势作一展望。由于这种材料中，各组分材料的体积含量在空间位置上是连续变化的，其物理性能没有突变，因而可较好地避免诸如在纤维增强复合材料中经常出现的层间应力问题或降低应力集中现象。梯度功能材料目前已被发展用来作高温环境下的结构用件，本文着重论述了钛基梯度功能材料复合结构在材料优化分析领域的研究现状及其应用前景，并提出需要进一步研究的方向。     

Mn-20at%Ga纳米复合磁性材料的制备和磁性能研究

Mn-Ga合金具有高矫顽力和较高的磁晶各向异性,是一类具有较大发展前景的磁性材料。本文采用机械合金化方法开展Mn-20at%Ga纳米磁性复合材料的制备研究,高能球磨后合金在300 ~ 415℃温度区间、2 ~ 8小时保温时间进行退火。重点研究了磁性相种类、纳米晶尺寸和磁性能随退火条件的变化规律。研究发现,退火后Mn-20at%Ga磁性材料中的主要磁性相为纳米级尺寸的Mn3Ga相和Mn0.85Ga0.15相,另含有少量氧化导致的MnO2相。适当的提高退火温度和退火时间,可促进剩磁、矫顽力与磁能积的提高。在385℃时进行6小时的热处理,可获得最佳的磁性能：剩磁63.21 emu/cm3、矫顽力8.1 kOe、磁能积0.15 MGOe。通过适当的提高保温温度和保温时间,可使Mn0.85Ga0.15相的尺寸降低,并与矫顽力升高的趋势相一致。Mn0.85Ga0.15相晶粒尺寸的下降有利于提高合金的磁性能。     

Influence of Post-Weld Annealing on Transformation Behavior and Mechanical Properties of Laser-Welded NiTi Alloy Wires

The influence of annealing on the transformation behavior, mechanical, and functional properties of laser-welded NiTi wires was investigated. The results show that Ti₃Ni₄ precipitates occur after post-weld annealing and coarsen with increasing annealing temperature. The as-welded specimen exhibits one-step B2 → B19′ transformation, while the annealed ones show two-step B2 → R → B19′ transformation. Annealing at 400 °C for 1 h can improve the tensile strength and superelasticity of the welded joints. However, these properties decrease when annealing at 500 °C for 1 h. The change of mechanical and functional properties after annealing is attributed to the different size of Ti₃Ni₄ precipitates. Annealing to produce smaller coherent precipitates (10 nm) improves the mechanical and functional properties of the welded joints. As the Ti₃Ni₄ precipitates coarsen, the mechanical and functional properties decrease.