论文部分内容阅读
Ti基块体非晶合金由于其低密度、高强度、高弹性极限、良好的耐腐蚀性和优异的生物相容性等诸多优点而受到研究者的广泛关注,在生物医用、航空航天和海洋工程等方面都具有良好的应用前景。现有的Ti基块体非晶合金为了获得高非晶形成能力,合金成分中往往含有大量的生物毒性元素Be、Ni以及贵金属元素Pd。鉴于Ti基块体非晶合金具有良好的生物医用前景,因而有必要开发出一种不含Be、Ni和贵金属Pd、且具有抑菌功能的新型Ti基块体非晶合金。另一方面非晶合金独特的原子结构特征导致其具有较大的室温脆性,极大地限制了块体非晶合金在工程结构中的应用。本论文以发展具有生物医用前景的新型Ti基块体非晶合金及其复合材料为目标,首先利用第一性原理分子动力学（AIMD）方法系统研究了 Ti60Cu40、Ti56Cu44和Ti56Cu4αAg4合金成分的液固转变特征以及非晶态合金的原子堆垛结构,从而为新型Ti基块体非晶合金的成分设计提供理论指导。研究结果表明,液态合金中的原子扩散能力与体系的非晶形成能力具有较好的相关性,三个合金体系液态合金中原子扩散能力由高到低依次是Ti60Cu40、Ti56Cu44和Ti56Cu40Ag4合金。Ag的添加降低了 TiCu合金体系中原子的扩散能力,从动力学方面有利于合金体系非晶形成能力的提高。与Ti60Cu40合金相比,Ti56Cu44合金非晶态构型中局域结构的二十面体化程度更高。Ag的添加降低了合金体系中完整二十面体含量,但是增加了合金体系中二十面体的多样性。在Ti56Cu40Ag4合金体系中,二十面体团簇通过共点、共线、共面、嵌套等多种连接方式形成了纳米尺度的二十面体中程序结构,提高了合金体系中的局域原子堆垛密度,有利于合金体系非晶形成能力的提高。基于上述AIMD计算模拟结果,在（Ti,Co,Sn）56Cu44合金成分基础上,研究了 Zr和Si的添加对该体系合金非晶形成能力的影响,获得了一系列直径 2-3 mm 的 Ti46Zr12.5-xCu31.5Co7Sn3Six（x=0,0.5,1,1.5）块体非晶合金体系。该合金体系不含Be、Ni和贵金属元素Pd,具有较好的生物医用前景。研究表明,当Zr的添加量为12.5 at.%时,Ti46Zr12.5Cu31.5Co7Sn3直径2 mm的样品为全非晶结构,Zr的添加有效地提高了合金的原子尺寸差、电负性差和混合焓,有利于合金非晶形成能力的提高。当Si的添加量为1 at.%时,Ti46Zr11.5Cu31.5Co7Sn3Si1的非晶形成能力进一步提高,可以形成直径3 mm的全非晶结构,且该成分具有良好的压缩性能,其屈服强度和断裂强度分别为2478 MPa和2623 MPa,Si的添加同时促进了剪切带的萌生和扩展,将合金的压缩塑性从0提高到了 0.83%。为了进一步发展具有抑菌功能的Ti基块体非晶合金,本论文系统研究了Ti46Zr11.5Cu31.5-xCo7Sn3Si1Agx（x = 0,1,2,3,4,5）合金体系的微观组织演化、热力学稳定性、力学性能、抗腐蚀行为和抗菌性能。研究表明,通过适量Ag的添加将合金体系的非晶形成能力从3 mm提高到5mm。Ag的添加降低了合金的熔点但提高了合金的晶化激活能。当添加1 at.%的Ag时,Ti46Zr11.5Cu30.5Co7Sn3Si1Ag1合金的屈服强度和屈服应变分别为2604 MPa和2.55%。此类块体非晶合金的剪切断裂机制符合Tresca准则。Ti46Zr11.5Cu27.5Co7Sn3Si1Ag4块体非晶合金与Ti-6A1-4V合金相比,在四种不同的腐蚀介质中均表现出更低的自腐蚀电流密度和更高的自腐蚀电位,表明该类非晶合金优异的抗腐蚀性能。抗菌试验表明,该类非晶合金对金黄色葡萄球菌具有良好的杀菌效果,与Ti-6A1-4V合金相比,Ti46Zr11.5Cu27.5Co7Sn3Si1Ag4块体非晶合金的抗菌率高达96.81%。本论文研究了不同含量Nb的添加对Ti46Zr11.5Cu31.5Co7Sn3Si1块体非晶合金组织与力学性能的影响规律。研究表明,当Nb的添加量为1 at.%时,Ti46Zr10.5Cu31.5Co7Sn3Si1Nb1合金非晶基体上均匀分布着尺寸在5-30 μm的晶化相,合金表现出优异的压缩性能,屈服强度2362 MPa,塑性应变6.8%,断裂时总变形量为10.1%。高Nb含量的添加促进了合金组织中β-Ti枝晶的形成,随着Nb含量的增加,合金的塑性应变从Ti57.5Cu25.5Co7Sn3Si1Nb6合金的6.74%提高到了 Ti57.5Cu17.5C07Sn3Si1Nb14合金的23.21%。在压缩加载过程中,Ti60Cu14Ni12Sn4Ta10纳米晶-枝晶复合材料基体中共晶区域的B2NiTi相在弹性阶段发生了马氏体相变。该合金1.92%的弹性应变应归因于弹性阶段发生的马氏体相变以及组织中β-Ti和CuTi2相的弹性变形。