Nghiên ứu chế tạo và một số tính chất của hợp kim xốp hệ ti 3 5nb 3 5zr bằng phương pháp phân rã thiêu kết

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- NGUYỄN VĂN TOÀN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤTCỦA HỢP KIM XỐP HỆ Ti-3.5Nb-3.5Zr BẰNGPHƢƠNG PHÁP PHÂN RÃ THIÊU KẾT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HỢP KIM XỐP HỆ T i-3.5Nb-3.5Zr BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN RÃ THIÊU KẾT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội – Năm 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HỢP KIM XỐP HỆ T i-3.5Nb-3.5Zr BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN RÃ THIÊU KẾT

Chuyên ngành : KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS TRẦN VĂN DŨNG

Hà Nội – Năm 2018

LỜI CẢM ƠN

V

LỜI CAM ĐOAN

t

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM XỐP HỆ Ti1 . -Nb- 2Zr 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỢP KIM TITAN XỐP 2

Ti-Nb-Zr

1.2 SỰ TƯƠNG THÍCH CỦA VẬT LIỆU Y SINH VỚI CƠ THỂ CON NGƯỜI 14

-3.5Nb-3.5Zr - 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 24

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO HỢP KIM TITAN XỐP 25

2.1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO HỢP KIM BỘT 25

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO HỢP KIM TITAN XỐP 26

2.2.6 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 38

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO THỬ VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT HỢP KIM TITAN XỐP Ti3.5Nb3.5Zr 39

3.1 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THỬ HỢP KIM TITAN XỐP Ti3.5Nb3.5Zr BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN RÃ – THIÊU KẾT TRONG CHÂN KHÔNG 39

3.2 TỐI ƯU HÓA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO HỢP KIM TITAN XỐP BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM BẬC 2 53

3.3 XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ MẪU THÍ NGHIỆM Ti3.5Nb3.5Zr SAU THIÊU KẾT 59

3.4 KẾT LUẬN 62

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HỢP KIM TITAN XỐP Ti -3.5Nb-3.5Zr ĐƯỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THIÊU KẾT PHÂN RÃ TRONG CHÂN KHÔNG 64

4.1 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 64

-3.5Nb-3.5Zr

-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

:

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1

6

Hình 1.2 Hình 1.3

Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 -13Nb-Hình 1.8 Hình 1.9

Hình 1.10 ng cong ng su t- bi n d ng c a h p kim Ti-20Nb-15Zr v i hàm ng ch t t o x p khác nhau 14

Hình 1.11

Hình 1.12 -ghép 17

Hình 1.13 18

Hình 1.14

Hình 1.15

Hình 1.16

Hình 2.1 Hình 2.2

Hình 2.3 Hình 2.4 a- 125 ; b- 250;c- 400; d- 800[12] 32

Hình 2.5

Hình 2.6

SHS 33

Hình 2.7 Hình 2.8 - Hình.2.9 Hình 3.1 -

Hình 3 2 -

Hình 3.3 nh ch p X-Ray b t 42

Hình 3.4

Hình 3.5 Nam 45

Hình 3.6 45

Hình 3.7 Hình 3.8 Khuôn và chày ép 46

Hình 3.9

Nam 49

Hình 3.10 .Ti Hình 3.11 -Nb

Hình 3.12 - .Zr Hình 3.13 - Hình 3.14

Hình 3.15 Hình 3.16 Cân m u s n ph m th m Parafin Wax

Hình 3.17

Hình 4.1

Hình 4.2

Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Ti-3.5Nb-

MỞ ĐẦU

Hi

trong N

, thoái hóacác tính

;

-Nb

giúp

x

Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất của hợp kim xố

Ti-3.5Nb- 3.5Zr chế tạo bằng phương pháp phân rã – thiêu kết ”

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM XỐP HỆ Ti- -Nb Zr

1.1.1 Hợp kim titan xốp – vật liệu y sinh tiên tiến

Hình 1.1 Ảnh hưởng của tỷ trọng tương đương đến mođun đàn hồi và độ bền

Hình 1.2 Ảnh hưởng của độ xốp đến giới hạn chảy của vật liệu y sinh [15]

500 khác nhau

Hình 1.3 Ảnh hưởng kích thước lỗ xốp đến độ bền nén và mođun đàn hồi hợp

kim titan xốp 64%

Hình 1.4 Ảnh hưởng của tỷ trọng tương đối đến độ dày trung bình vách lỗ

c c a hình kim càng gi m d n;

Hình 1.6 Ảnh hưởng c a nhiủ ệ ột đ thiêu kết tới tỷ trọ ng c a m u -13Nb-13Zr ủ ẫ Ti

Hình 1.7 nh ch p t Ả ụ ổchức tế vi củ a m u Ti-13Nb-13Zr sau thiêu kẫ ết tại các nhiệ ột đ khác nhau v i tớ ốc độ nâng nhi t 20ệ /ph gi nhi trong 2h ữ ệt

Hình 1.8 nh SEM c a b t -20Nb-15Zr sau thiêu k t vTi ng ch t t o

x p khác nhau:

a- 0%;b- 20%; c- 35% ;d- 50%

Hình 1.9 nh SEM c a m u sau thiêu k t Ả ủ ẫ ế

a- hình thái l x p; b- ỗ ố khu vự c màu tr ng; c- vắ ết nứt gầ ỗ ố n l x p; d- vùng màu

trắng

Hình 1.10 ng cong ng su t- bi n d ng c a h p kim Ti-20Nb-15Zr v i hàm

Hình 1.11 Cấu tạo của xương người

Bảng 1.1.Các thông số cơ học khi thử kéo vỏ xương người[15]

Bảng 1.2. Các thông số cơ học thử nén của vỏ xương người[15]

Hình 1.13 Modun đàn hồi của xương và của vật liệu cấy ghép

Ti, B, Mg, Si, P, Ca, Sr, Zr, Nb, Mo, Pd, In, Sn, Ta, Pt, Au có tính

Hình 1.14 Tính an toàn của vật liệu y sinh kim loại[1 5]

Bảng 1.4. Tính chất cơ học của vật liệu cấy ghép hợp kim Ti pha β, ω, α', α"[15].

kéo, Mpa giãn dài, %

Ti-13Nb-13Zr (Hóa già) 973-1037 836-908 10-16 79-84 AS™ F1713 Ti-12Mo-6Zr- 1060-1100 1000-1060 18-22 74-85 AS™ F1813

Bảng 1.5.Một số vật liệu y sinh hợp kim titan pha

+ 11

Trên th gi i hi n nay ng ch n v t li u h -Ti Nb Zr-

i t trình thiêu k t M t khác Ni và Zr còn có kh

-

Ti3.5Nb3.5Zr

các

2.2.1 Thiêu kết trong chân không hoặc trong môi trường bảo vệ

1×10

Bảng 2.1 Độ xốp tổng và độ xốp hở của khối titan sau thiêu kết với kích thước

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ thiêu kết có chất phụ gia tạo xốp vật liệu titan 5] [1

Hình 2.2 Ảnh tổ chức tế vi mẫu titan xốp chế tạo bằng phương pháp thiêu kết có

chất phụ gia với lỗ xốp macro/micro

Plasma activated sintering (thiêu v

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo hợp kim xốp titan bằng

phương pháp SPS

2.2.4 Phương pháp tổng hợp nhiệt độ cao tự lan truyền

propagating high-temperature synthesis

ig và

2

(hình 2.6);

5 T

Bảng 2.2.Một số hợp chất được sản xuất bằng phương pháp SHS).[15]

Silicid TiS3, Ti5Si3, ZrSi, Zr5Si3, MoSi2, TaSi2, Nb5Si3, NbSi2, WSi2, V5Si3

(shape memory alloys

Hình 2.7 Tổ chức tế vi của mẫu NiTi khi sử dụng Ammonium Hydrrogen

thoát ra trong quá trình phân rã là khí hoàn nguyên tác d ng v i oxy giúp b o v

ph n bên trong c a m u không b oxy hóa m t khác pha khí thoát ra t o các l

không không khác so v i quy trình công ngh c

ng khí b o v thiêu k t trong

Hình 2.8 Đềxuất q uy trình công ngh ệ phương pháp phân rã - thiêu k t ế

Hình.2.9 Ả nh ch p nhi u x ụ ễ ạ Rơn Ghen mẫu TiH 2 sau phân rã -thiêu k t ế

i th các thi t b gia công

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO THỬ VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT HỢP

KIM TITAN XỐP Ti3.5Nb3.5Zr

3.1 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THỬ HỢP KIM TITAN XỐP Ti3.5Nb3.5Zr BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN RÃ – THIÊU KẾT TRONG CHÂN

KHÔNG

3.1.1 Chuẩn bị hỗn hợp bột kim loại

a Xác định các thành phần hỗn hợp bột kim loại



Metarials Sci Tech Co., Ltd

b Tính toán phối liệu hỗn hợp bột kim loại

a + b + c = 30 (3.1)

-3.5Nb-3.5Zr nên ta có:

5,3

9393

Hình 3.1 Ảnh chụp X-Ray bột Nb

VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau Nb

34-0370 (*) - Niobium columbium - Nb - Y: 96.36 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056

File: Toan-DHBK-Nb.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/24/14 17:09:49

H ình 3 2.Ảnh chụp X Ray bột Zr

-VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau Zr

05-0665 (I) - Zirconium - Zr - Y: 47.27 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056

File: Toan-DHBK -Zr.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - E nd: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/24/14 18:15:25

-VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau T iH2

25-0982 (I) - Titanium Hydride - TiH1.924 - Y: 19.64 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 File: Toan-DHBK -TiH2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/24/14 16:29:08

Hình 3.5 Máy nghiền trộn dạng tang trống Viện Hàn lâm KH và CN Việt Nam

Hình 3.7 Máy ép thủy lực 10T Viện Hàn lâm KH và CN Việt Nam

Hình 3.8 Khuôn và chày ép

trên là quá l n;

ép 150 - 200 - 250 MPa

3.1.4 Thiêu kết trong chân không

Tor: Phân rã TiH2 oC, 500

Hình 3.9 Lò thiêu kết chân không Tor tại Viện Hàn lâm KH và CN Việt

Nam

1000 1100 - 1200 °C

Hình 3.10 Giản đồ pha của Nb – Ti

Hình 3.11 Giản đồ pha của Zr- Nb

Hình 3.12 Giản đồ pha của Ti- Zr

0C

Quá trình phân rã -

- Bước 2 Thiêu kết: 0C và

- 3 - 4h cùng lò

Hình 3.13 Quy trình công nghệ phân rã thiêu kết mẫu sản phẩm Ti3.5Nb3.5Zr-

3.2 TỐI ƯU HÓA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO HỢP KIM TITAN XỐP BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM BẬC 2

3.2.1 Giới thiệu phương pháp quy hoạch thực nghiệm bậc 2

-

-

-

-

tâm xoay (Routaquá t

Hình 3.14 Mô hình nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm

Z =

2 i(min) Z i(max)

;

2

ZZ

Tính phương sai tái sinh:

2 0 0 a

2

1 m

1

0 a

0 a

2 i i

2

l N 1

3.3 XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ MẪU SẢN PHẨM Ti3.5Nb3.5Zr

Bước 1: Chuẩn bị mẫu sản phẩm

Hình 3.15 Mẫu sản phẩm trong dung dịch Parafin Wax sôi

Bước 2: Xác định khối lượng mẫ sản phẩm u và thể tích

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HỢP KIM TITAN XỐP Ti-3.5Nb-3.5Zr

ĐƯỢC CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THIÊU KẾT PHÂN RÃ

TRONG CHÂN KHÔNG

4.1 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1.1 Phân tích, đánh giá kết quả đo độ xốp mẫu sản phẩmTi-3.5Nb-3.5Zr

Hình 4.1 Độ xốp tổng củacác mẫu sản phẩm

Bảng 4.1.Kết quả đo độ xốp mẫu sản phẩm theo quy hoạch thực nghiệm

Hình 4.2 Sự phân bố của các yếu tố đầu vào

Bảng 4.2.Bảng mã hóa các thông số đầu vào

Bảng 4.3 Bảng quy hoạch thực nghiệm và kết quả trên phần mềm Modde 5

Bảng 4.4.Nhận biết các hệ số có nghĩa của phương trình hồi quy

và thời gian thiêu kết (c)

Trên hình 4.4b th hi n ng c a nhi thiêu k x p c

Hình 4.5 Mặt đồng mức thể hiện sự phụ thuộc của độ xốp vào áp lực ép và thời

gian thiêu kết tại nhiệt độ thiêu kết 1000

Hình 4.6 Mặt đồng mức thể hiện sự phụ thuộc của độ xốp vào áp lực ép và thời

gian thiêu kết tại nhiệt độ thiêu kết 1100

Hình 4.7 Mặt đồng mức thể hiện sự phụ thuộc của độ xốp vào áp lực ép và thời

gian thiêu kết tại nhiệt độ thiêu kết 1200

4.1.2 Kết quả đo modun đàn hồi mẫu Ti-3.5Nb-3.5Zr

Bảng 4.5 Sự phụ thuộc của modun đàn hồi vào chế độ ép và thiêu kết của mẫu

Ti-3.5Nb-3.5Zr thiêu kết trong chân không

Bảng 4.6 Bảng thể hiện sự phụ thuộc của modun đàn hồi vào chế độ công nghệ

được tiến hành theo quy hoạch thực nghiệm

Bảng 4.7 Xác định các hệ số có nghĩa của hàm hồi quy

a Áp lực ép;b Nhiệt độ thiêu kết; c Thời gian thiêu kết

Qua hình 4.11

Hình 4.12 Mặt đồng mức thể hiện sự phụ thuộc của modun đàn hồi vào áp lực

ép, thời gian thiêu kết và nhiệt độ thiêu kết tại 1000

Hình 4.13 Mặt đồng mức thể hiện sự phụ thuộc của modun đàn hồi vào áp lực

ép, thời gian thiêu kết và nhiệt độ thiêu kết tại 1100

Hình 4.14 Mặt đồng mức thể hiện sự phụ thuộc của modun đàn hồi vào áp lực

4.1.3 Kết quả chụp X Ray mẫu sau thiêu kết

titan

VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau T i-Nb-Zr - 5b

Hình 4.16 Nhiễu xạ tia X mẫu xốp Ti – 3.5 Nb- 3.5 Zr tại 1200 trong 4h

titan và pha titan Pha

titan sang pha

hkl d

n

titan qu

t

t

Hình 4.17 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu sau thiêu kết 4h tại nhiệt độ:

a.1000 ; b 1200

4.1.4 Kết quả kiểm tra tổ chức tế vi mẫu sản phẩm -3.5Nb-3.5Zr Ti

0 50 100

10

Trên hình 4.18

khác nhau 4.18a

Hình

, hình 4.18b

a b

1200 với độ phóng đại khác nhau

a b

Hình 4.19 Ảnh hiển vi quang học của mẫu sản phẩm sau quá trình thiêu kết tại

Hình 4.19a, m c thiêu k t t i 1000 , nh n th y t ch c hình kim có kích

c ng n Hình 4.19b, m u thiêu k t t i 1200 , t ch c hình kim có kích

Macro và Micro Xu t hi n các l x p liên thông v i nhau là do: quá trình ép t o

titan có xu t hi n các h t màu sáng v i kích c m n kho

cho th y c n ph i nâng cao th i gian thiêu k t ho c kéo dài th i gian thiêu k

th p Do các m u thiêu k t trong chân không th p, xu t hi n màng oxit d n t i

Quan sát k trên hình ta còn th y các th d

nhau

a b

c d

a ×1000 l n ; b ×2500 l n ; c × 5000 l n; d ×10000 lầ ầ ầ ần

4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.

-

Y1= -65.8 0.018 + 0.2244 - 0.91 - 0.000131 Y2 = 38.613 + 0.0062 - 0.0861 + 0.28 +0.0000477

ch t o v t li u y sinh kim lo i là hoàn toàn h p lý

Vi t Nam, b ng công ngh phân rã - thiêu k t trong lò chân không cao

4 Hrabe, N.W Characterization of Cellular Titanium for Biomedical Applications

Ph.D Thesis, University of Washington, Seattle, WA, USA, 28 May 2010

5 Oh, I.H.; №mura, N.; Masahashi, N.; Hanada, S Mechanical properties of

porous titanium compacts prepared by powder sintering Scr Mater 2003, 49,

1197 1202

6 Robertson, D.M.; Pierre, L.; Chahal, R Preliminary observations of bone in

growth into porous materials J Biomed Mater Res 1976, 10, 335 344

7 Cameron, H.U.; Macnab, I.; Pilliar, R.M A porousmetal system for joint

replacement surgery Int J Artif Organs 1978, 1, 104 109

8 Head, W.C.; Bauk, D.J.; Emerson, J.R Titanium asthe material of choice for

cementless femoral components in total hip arthroplasty Clin Orthop Relat

Res 1995, 311, 85 90

9 Gross, S.; Abel, E.W A finite element analysis of hollow stemmed hip

prostheses as a means of reducing stress shielding of the femur J Biomech

2001, 34, 995 1003

10 Kuroda, D.; Niinomi, M.; Morinaga, M.; Kato, Y.; Yashiro, T Design and

ysSci Eng A 1998, 243, 244 249

11 Niinomi, M.; Hattori, T.; Niwa, S Material Characteristics and Biocompatibility

of Low Rigidity Titanium Alloys for Biomedical Applications In Biomaterials in

Orthopedics; Yaszemski, M.J., Trantolo, D.J., Eds.; Marcel Dekker Inc.: New York, NY, USA, 2004; pp 41 62

12 Wang, K The use of titanium for medical applications in the USA Mater Sci Eng A 1996, 213, 134 137

13 Wang, X.J.; Li, Y.C.; Xiong, J.Y.; Hodgson, P.D.; Wen, C.E Porous TiNbZr alloy scaffolds for biomedical applications Acta Biomater 2009,5, 3616 3624

14 Zhao, X.K.; Sun, H.B.; Lan, L.; Huang, J.H.; Zhang, H.; Wang, Y Pore structures of high-porosity NiTi alloys made from elemental powders with NaCl temporary space-holders Mater Lett 2009, 63, 2402 2404

15 Yuhua Li, Chao Yang, Haidong Zhao, Shengguan Qu, Xiaoqiang Li and Yuanyuan Li New Developments of Ti-Based Alloys for Biomedical Applications Materials 2014,7, 1709-1800; doi:10.3390/ma7031709

16 Melt Route Kota Kadoi, №rbert Babcsa ´n and Hideo Nakae Heat Treatment of

Fabrication Materials Transactions, Vol 50, № 4 (2009) pp 727 to 733 #2009 The Japan Institute of Meta