生物医用Ti-Zr-Nb-Ta-Mo高熵合金性能如何?科学家展开了研究

   理工小二        

背景:


生物医用植入材料被广泛用于修复或替代受损的生物组织。与陶瓷和聚合物相比,金属具有较高的强度和可塑性,具有明显的优势。迄今为止,包括钛和钛基合金、CoCrMo合金、镍钛合金在内的生物医用金属材料的应用包括人工髋关节、心血管支架、骨板、牙科植入物和外科器械。


在这些传统生物医用材料中,钛基合金以其良好的生物相容性和力学性能、高耐腐蚀性和相对较低的杨氏模量,成为骨科和牙科种植产品的首选。然而,钛基合金的磨损性能往往不尽人意。钛基合金作为生理环境下工作的种植材料,会受到磨损碎片引起的腐蚀磨损失效和“颗粒病”的显著影响。


此外,生物医用钛基非晶合金比结晶钛基合金具有更高的强度和硬度,这使它们在干摩擦下具有更好的耐磨性。然而,钛基非晶合金非常容易发生点蚀,通常发生在生理溶液中,并能显著加速摩擦腐蚀过程中的磨损退化。


同时,钛基非晶合金的尺寸限制和低可塑性也限制了其作为种植材料的临床应用。因此,开发具有高耐蚀性和耐磨性的新型生物医用植入合金,已成为近年来生物医用材料研究的热点。


在这一背景下,以Nengbin Hua为首的团队展开了研究,并以“Mechanical, corrosion, and wear properties of biomedical Ti-Zr-Nb-Ta-Mo high entropy alloys”为题,于北京时间2020年11月21日发表于Journal of Alloys and Compounds,旨在分析生物医用Ti-Zr-Nb-Ta-Mo高熵合金的机械、腐蚀和磨损性能


生物医用Ti-Zr-Nb-Ta-Mo高熵合金性能如何?科学家展开了研究


摘要:


研究者研究了TixZrNbTaMo (x = 0.5、1,1.5和2摩尔比)高熵合金(HEAs)的微观组织、力学性能、腐蚀和磨损行为。结果表明,Ti-Zr-Nb-Ta-Mo HEAs具有两体中心立方(BCC)固溶相的枝晶结构。Ti0.5ZrNbTaMo HEA的高硬度约为500 HV,高抗压强度接近2600 MPa,塑性应变大于30%。


此外,在磷酸盐缓冲盐水(PBS)溶液中,Ti-Zr-Nb-Ta-Mo HEAs表面形成了高保护氧化物膜,使得HEAs具有较高的耐蚀性。与传统生物医用Ti6Al4V合金相比,Ti-Zr-Nb-Ta-Mo HEAs具有更强的干、湿耐磨性。


结果还表明,随着Ti含量的降低,Ti- zr - nb - ta - mo HEAs在PBS溶液中的耐磨性提高。由于Ti0.5ZrNbTaMo合金具有良好的力学性能和较高的化学稳定性,其耐腐蚀性磨损性能在四种基体中最高。


研究发现,调整HEAs中组成元素的含量可以影响其微观结构、腐蚀和磨损行为。铸态ti - zr基耐火材料HEAs一般形成以BCC固溶相为主的枝晶结构,具有较高的硬度和耐磨性。通过调整Ti-Nb-Ta-Zr和Ti-Nb-Ta-Zr- mo合金的组成元素比例,可以控制其枝晶形态和力学性能。值得注意的是,Nb、Ta、Mo等易钝化元素通常能提高合金表面氧化膜的化学稳定性。因此,研究组成元素的含量对Ti-Zr耐火材料HEA体系微观组织、腐蚀和磨损行为的影响具有重要意义。


过程:


图1为铸态TixZrNbTaMo (x = 0.5、1、1.5和2)HEAs的XRD图谱。可以看出,Ti-Zr-Nb-Ta-Mo HEAs具有清晰的衍射峰,表明其结构由两个体心立方(BCC)固溶相组成(分别标记为bc -1和bc -2相)。XRD谱图证实了无金属间化合物和有序相的HEAs的BCC结构。随着合金中Ti含量的降低,小bc -2相的峰位置向较低的角度偏移。这种向低角度的转变伴随着BBC-2相与BBC-1相峰值强度比值的减小。


生物医用Ti-Zr-Nb-Ta-Mo高熵合金性能如何?科学家展开了研究

图1所示。铸态Ti-Zr-Nb-Ta-Mo HEAs的XRD谱。


生物医用Ti-Zr-Nb-Ta-Mo高熵合金性能如何?科学家展开了研究

图2所示。(a) Ti0.5ZrNbTaMo, (b) TiZrNbTaMo,

(c) Ti1.5ZrNbTaMo, (d) Ti2ZrNbTaMo HEAs的SEM形貌。


生物医用Ti-Zr-Nb-Ta-Mo高熵合金性能如何?科学家展开了研究

图3所示。结果表明,该系统具有良好的结构和性能。


生物医用Ti-Zr-Nb-Ta-Mo高熵合金性能如何?科学家展开了研究

图4所示。TEM亮场图像[(a)和(b)]以及Ti0.5ZrNbTaMo和

Ti2ZrNbTaMo HEAs对应的选定区域电子衍射(SAED)图案(insets)。


生物医用Ti-Zr-Nb-Ta-Mo高熵合金性能如何?科学家展开了研究

图5所示。TixZrNbTaMo (x = 0.5, 1,1.5,和2)HEAs在室温下的压缩应力-应变曲线。


生物医用Ti-Zr-Nb-Ta-Mo高熵合金性能如何?科学家展开了研究

图6所示。(a) - (b) Ti0.5ZrNbTaMo, (c) - (d) TiZrNbTaMo,

(e) - (f) Ti1.5ZrNbTaMo, (g) - (h) Ti2ZrNbTaMo HEAs压缩变形后的SEM形貌。


生物医用Ti-Zr-Nb-Ta-Mo高熵合金性能如何?科学家展开了研究

图7所示。TixZrNbTaMo (x = 0.5, 1,1.5,和2)的维氏显微硬度。


生物医用Ti-Zr-Nb-Ta-Mo高熵合金性能如何?科学家展开了研究

图7所示。(a) TixZrNbTaMo (x = 0.5、1、1.5和2)HEAs在PBS溶液中干湿滑动时的磨损率和摩擦系数。


生物医用Ti-Zr-Nb-Ta-Mo高熵合金性能如何?科学家展开了研究

图8所示。研究了各种HEAs和Ti6Al4V合金的磨损系数Rw与硬度Hv的关系。


根据Achard's wear定律,材料的耐磨性与其硬度成正比。因此,提高材料的硬度可以提高其抗压缩变形的能力,从而提高其耐磨性。此外,研究发现材料的断裂韧性对磨损行为也有显著影响。例如,提高材料的断裂韧性可以提高材料抗裂纹形核和扩展的能力,从而提高材料的耐磨性。


对于通常表现出优异韧性的结晶金属材料,其耐磨性通常由硬度控制。对于脆性陶瓷或玻璃材料,断裂韧性往往是控制耐磨性的主要因素。从图8可以看出,HEAs的耐磨性表现趋势基本符合Archard 's wear定律,即材料的耐磨性随着硬度的增加而增强。在本研究中,Ti-Zr-Nb-Ta-Mo HEA的硬度为500 HV,耐磨性系数为4.5×10^12 Pa,说明其耐磨性高于Ti6Al4V合金,也高于图8所示的大部分其他HEA。


分析:


研究了一系列生物医用Ti-Zr-Nb-Ta-Mo HEAs的力学性能、腐蚀性能和磨损性能。主要结论如下:


1.Ti-Zr-Nb-Ta-Mo HEAs具有由两个BCC固溶相组成的枝晶结构。此外,该晶体还具有优良的枝晶结构。相比之下,Ti0.5ZrNbTaMo HEA呈现出明显粗化的枝晶结构。Ti含量的增加导致Ti2ZrNbTaMo HEA形成了短而圆的枝晶臂。


2.随着Ti- zr - nb - ta - mo HEAs中Ti含量的降低,合金的维氏显微硬度从450HV增加到500HV,屈服强度从1440 MPa增加到1580 MPa。具有粗化枝晶组织的Ti0.5ZrNbTaMo合金抗压强度高达2600 MPa,塑性变形应变接近30%。


3.Ti-Zr-Nb-Ta-Mo HEAs在PBS溶液中的腐蚀电流密度与Ti6Al4V一样低,表明HEAs的腐蚀速率很低。此外,Ti-Zr-Nb-Ta-Mo HEAs比Ti6Al4V合金具有更好的腐蚀电位,说明其具有较高的钝化膜稳定性。XPS结果表明,HEAs的表面膜主要由Ti4+、Zr4+、Nb5+、Ta5+、Mo4+、Mo6+等氧化物组成,这使得HEAs在PBS溶液中具有良好的耐蚀性。


4.与Ti6Al4V合金相比,Ti-Zr-Nb-Ta-Mo HEAs具有优异的干、湿耐磨性。随着Ti含量的降低,HEAs的耐磨性提高。湿摩擦条件下的Ti-Zr-Nb-Ta-Mo HEAs的磨损率比干摩擦条件下的磨损率低。在四种HEAs中,Ti0.5ZrNbTaMo合金的耐腐蚀磨损性能最好。


原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838820343619


最新评论(0)条评论
不吐不快,我来说两句

还没有人评论哦,抢沙发吧~

相关新闻推荐