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一种新型生物医用Ti-20Zr-10Nb合金的腐蚀、磨损及腐蚀磨损行为

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稀有金属材料与工程 2022年第6期51卷 1972-1978页

作者：王振国程曦刘伟潘超李岩郑自芹北京市春立正达医疗器械股份有限公司北京101100 北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191 中国兵器工业第五二研究所烟台分所有限责任公司山东烟台264003

通过电化学腐蚀、摩擦学测试以及扫描电镜(SEM)观察等方法,研究了新型生物医用Ti-20Zr-10Nb合金的腐蚀、磨损以及腐蚀磨损行为。动电位极化实验结果表明,与静态腐蚀相比,腐蚀电位(E_(corr))向负值偏移,腐蚀电流密度(i_(corr))增加了2个... 详细信息

通过电化学腐蚀、摩擦学测试以及扫描电镜(SEM)观察等方法,研究了新型生物医用Ti-20Zr-10Nb合金的腐蚀、磨损以及腐蚀磨损行为。动电位极化实验结果表明,与静态腐蚀相比,腐蚀电位(E_(corr))向负值偏移,腐蚀电流密度(i_(corr))增加了2个数量级。磨损和腐蚀磨损结果显示,Ti-20Zr-10Nb合金的磨损体积随载荷的增加而增大。研究结果表明,机械磨损在腐蚀磨损中对材料的流失贡献大于腐蚀的贡献。电化学腐蚀条件下的摩擦系数均低于纯磨损条件下获得的摩擦系数。通过观察腐蚀磨损后的形貌可知,磨粒磨损为腐蚀磨损中的主要磨损机制。此外还验证了磨粒的添加对磨损和腐蚀磨损行为的影响,发现磨粒的添加会增加材料的流失。

关键词：生物医用材料 Ti-20Zr-10Nb 腐蚀磨损磨损腐蚀

模拟体液环境下TZNT钛合金微磨粒磨损研究

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模拟体液环境下TZNT钛合金微磨粒磨损研究

作者：郑自芹重庆工学院

学位级别：硕士

微磨粒磨损是导致金属植入材料失效的一个重要原因,而人体体内环境的特殊性,又决定了金属植入材料在服役期间其微磨粒磨损状况不同于简单的微磨粒磨损。目前国内外对金属植入材料在人体环境内的微磨粒磨损研究尚处于初步阶段,对于植入... 详细信息

微磨粒磨损是导致金属植入材料失效的一个重要原因,而人体体内环境的特殊性,又决定了金属植入材料在服役期间其微磨粒磨损状况不同于简单的微磨粒磨损。目前国内外对金属植入材料在人体环境内的微磨粒磨损研究尚处于初步阶段,对于植入用钛合金的涉及鲜有报导。本文以TZNT及Ti6Al4V合金为主要研究对象,系统研究了两种钛合金在Hank’s模拟体液和蒸馏水中的微磨粒磨损行为,考察了不同摩擦学参数(载荷、滑行距离、料浆浓度、转速以及摩擦副)对微磨粒磨损规律的影响,并对微磨粒磨损机制进行了探讨,进而建立了材料磨损图(材料流失图、磨损机制图以及选材图)。通过对开路电位、极化曲线以及时间电流曲线的测量研究了TZNT、TAMZ及TC4三种钛合金在Hank’s溶液、Ringer’s溶液以及0.9%NaCl溶液中的腐蚀性能。本文研究工作的主要结论如下: (1)TZNT与TC4钛合金的微磨粒磨损行为与各摩擦学参数(载荷、滑行距离、料浆浓度、转速、介质种类以及摩擦副)有关;磨损体积的变化规律既受各单因素的影响又受各个因素耦合效应的影响。TZNT钛合金在Hank’s模拟体液中的磨损体积小于同条件下在蒸馏水中的磨损体积;而TC4钛合金在Hank’s模拟体液中的磨损体积要大于相同条件下其在蒸馏水中的磨损体积。在材料流失图中,均为中、低材料流失区,无高流失区出现。TZNT钛合金在载荷—料浆浓度磨损机制图中,随着载荷的增加,磨损机制由三体磨损过渡到混合磨损进而转变为二体磨损;随着料浆浓度增加,TZNT钛合金的磨损形式从二体磨损向混合磨损和三体磨损转变。 (2)选材图中,从材料流失量方面考虑TC4钛合金的可选区域要大于TZNT钛合金的可选区域。腐蚀磨损后TZNT钛合金表面的主要成分为TiO2、ZrO2、Nb2O5和Ta2O5,TC4钛合金腐蚀磨损后表面主要成分为TiO2和Al2O3,表面膜成分的差异决定了它们在不同介质(Hank’s模拟体液与蒸馏水)中发生腐蚀磨损时材料流失规律有所不同。 (3)在Hank’s溶液、Ringer’s溶液以及0.9%NaCl溶液中,TZNT钛合金与TAMZ、TC4相比较易形成稳定的钝化膜,使其在上述模拟体液中具有更优异的耐蚀性能。

关键词： TZNT 钛合金模拟体液微磨粒磨损磨损图腐蚀

基于SENB和IM法的特种陶瓷断裂韧性试验研究

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兵器材料科学与工程 2023年第5期46卷 86-93页

作者：梁景恒郑自芹董园园尹飞韩晗张中东张子博中国兵器工业集团第五二研究所烟台分所山东烟台264003 驻烟台军代室山东烟台264003

以氮化硅(Si_(3)N_(4))、碳化硅(SiC)、碳化硼(B_(4)C)为研究对象,通过单边切口梁法获得陶瓷缺口尺寸和断裂韧性关系模型,并开展基于模型结果验证压痕法适用性的试验研究。结果表明:单边切口梁法测得的断裂韧性与切口尖端曲率直径存在... 详细信息

以氮化硅(Si_(3)N_(4))、碳化硅(SiC)、碳化硼(B_(4)C)为研究对象,通过单边切口梁法获得陶瓷缺口尺寸和断裂韧性关系模型,并开展基于模型结果验证压痕法适用性的试验研究。结果表明:单边切口梁法测得的断裂韧性与切口尖端曲率直径存在拟合相关性R>0.95的指数函数关系,在切口尖端直径约20μm时出现拐点,激光熔融切口获得的断裂韧性与基于指数函数计算裂纹条件下的断裂韧性相当。压痕法在满足表面压痕裂纹形貌的前提下,大载荷产生的裂纹受显微组织影响扩展进程不一致及多裂纹交汇形成台阶等,使裂纹内部呈不规则的半月型,计算结果与基准值差异较大。经基准值验证,氮化硅推荐压痕法载荷为49 N,碳化硅为29.4 N,计算公式为Evans,碳化硼推荐载荷为9.8 N,计算公式为ISO,获得的断裂韧性均在基准值±10%误差内。

关键词：特种陶瓷断裂韧性压痕法单边切口梁法半月型裂纹

Hank’s模拟体液中Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn与Ti-2.5Al-3Mo-2.5Zr合金的微磨损行为

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中国有色金属学报 2016年第6期26卷 1222-1227页

作者：郑自芹王振国黄伟九中国兵器工业第五二研究所烟台分所烟台261053 重庆理工大学材料科学与工程学院重庆400054 有研亿金新材料有限公司北京102200

采用TE66微磨粒磨损设备对医用Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn(TLM)和Ti-2.5Al-3Mo-2.5Zr(TAMZ)钛合金在Hank’s模拟人体体液中的微磨损行为进行研究;考虑到载荷及磨粒浓度的影响,通过观察磨斑形貌建立合金磨损机制图,并结合磨损体积建立材料优选... 详细信息

采用TE66微磨粒磨损设备对医用Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn(TLM)和Ti-2.5Al-3Mo-2.5Zr(TAMZ)钛合金在Hank’s模拟人体体液中的微磨损行为进行研究;考虑到载荷及磨粒浓度的影响,通过观察磨斑形貌建立合金磨损机制图,并结合磨损体积建立材料优选图。结果表明:载荷增加致使单个磨粒所承受应力增加,导致合金磨损体积随载荷增加而增加;合金磨损体积亦随磨粒浓度增加而增加;TLM合金中含有细小α_s相致使其磨损体积较小。合金的摩擦因数均随载荷增加而增加,随磨粒浓度增加而降低,同等条件下TAMZ合金的摩擦因数要大。本实验条件下TLM合金的耐微磨损性能优于TAMZ合金的。磨损后TLM合金所呈现出来的磨损机制为二体和混合磨损机制,而TAMZ合金则呈二体、混合和三体磨损机制。TLM合金在本实验条件下可选择的范围比TAMZ的大。

关键词：钛合金生物材料微磨损模拟人体体液磨损机制

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基于氧化锆陶瓷粒径控制的断裂韧性研究

兵器材料科学与工程 2022年第5期45卷 136-141页

作者：张涛郑自芹王彦莉许西庆梁景恒于壮壮张子博中国兵器科学研究院宁波分院山东烟台264003 长安大学陕西西安710061

为研究颗粒尺寸对氧化锆陶瓷断裂韧性的影响规律,探索t-ZrO_(2)在断裂和压痕过程中发生马氏体相变的倾向,用无压烧结制备氧化锆(3%Y_(2)O_(3),摩尔分数)陶瓷,经1400℃和1500℃烧结,得到陶瓷试样颗粒尺寸分别为290 nm和780 nm。用压痕法... 详细信息

为研究颗粒尺寸对氧化锆陶瓷断裂韧性的影响规律,探索t-ZrO_(2)在断裂和压痕过程中发生马氏体相变的倾向,用无压烧结制备氧化锆(3%Y_(2)O_(3),摩尔分数)陶瓷,经1400℃和1500℃烧结,得到陶瓷试样颗粒尺寸分别为290 nm和780 nm。用压痕法和单边切口梁法测定氧化锆陶瓷的断裂韧性,通过X射线衍射和拉曼光谱分析压痕中不同区域的相变。结果表明:粗颗粒氧化锆陶瓷的硬度和弯曲强度均低于细颗粒陶瓷,但粗颗粒陶瓷的断裂韧性更高;细颗粒试样几乎未发生马氏体相变;粗颗粒陶瓷在断面中单斜相氧化锆的体积分数为26%,在压痕中心和裂纹尖端的单斜相体积分数分别为42.2%和18.5%,对阻碍裂纹扩展提高断裂韧性起重要作用。

关键词：氧化锆陶瓷颗粒尺寸马氏体相变断裂韧性拉曼光谱

06Cr19Ni10不锈钢焊接水箱腐蚀失效分析

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兵器材料科学与工程 2022年第4期45卷 120-124页

作者：郑自芹梁景恒张大江滕全全徐智宝王萌于壮壮中国兵器科学研究院宁波分院山东烟台264003

06Cr19Ni10不锈钢焊接水箱注水试验3个月即发生腐蚀并穿孔漏水。通过对水质与成分、金相组织、腐蚀孔SEM形貌、TEM微观结构、X射线衍射、电化学分析与点蚀模拟试验,研究了该水箱发生腐蚀穿孔的原因,并对06Cr19Ni10不锈钢的点蚀机理进行... 详细信息

06Cr19Ni10不锈钢焊接水箱注水试验3个月即发生腐蚀并穿孔漏水。通过对水质与成分、金相组织、腐蚀孔SEM形貌、TEM微观结构、X射线衍射、电化学分析与点蚀模拟试验,研究了该水箱发生腐蚀穿孔的原因,并对06Cr19Ni10不锈钢的点蚀机理进行了分析探讨。结果表明:母材的Ecorr低于焊接飞溅是导致水箱发生点蚀的首要原因;形变诱发的马氏体对06Cr19Ni10热轧不锈钢水箱的抗点蚀性能影响不利;条状铁素体及板条状马氏体位错缠结是腐蚀沿轧制方向呈纤维状的主要原因。

关键词： 06Cr19Ni10不锈钢焊接水箱点蚀电位差形变诱发马氏体

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异种铝合金铆接接头腐蚀疲劳行为研究

兵器材料科学与工程 2022年第3期45卷 71-75页

作者：武永寿韩晓辉徐智宝李刚卿谈雅群梁景恒郑自芹中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266111 中国兵器科学研究院宁波分院山东烟台264003

用质量分数为3.5%的NaCl溶液70℃腐蚀5 mm厚6082-T6/6005A-T6异种铝合金铆接接头,研究其疲劳破坏行为。结果表明:空气中铆接接头疲劳极限为4.48 kN,失效位置为铆体帽沿根部;腐蚀介质中铆接接头疲劳极限为3.6 kN,腐蚀疲劳载荷大于4 kN时... 详细信息

用质量分数为3.5%的NaCl溶液70℃腐蚀5 mm厚6082-T6/6005A-T6异种铝合金铆接接头,研究其疲劳破坏行为。结果表明:空气中铆接接头疲劳极限为4.48 kN,失效位置为铆体帽沿根部;腐蚀介质中铆接接头疲劳极限为3.6 kN,腐蚀疲劳载荷大于4 kN时,失效位置与空气中一致,低于4 kN时疲劳裂纹始于6005A侧母材表面约500μm厚的粗晶层,且沿晶开裂。去除粗晶层制成的铆接接头腐蚀疲劳极限为3.97 kN,疲劳载荷低于4 kN时,裂纹始于表面细晶,并存在约50μm沿晶开裂。腐蚀环境改变了铆接接头疲劳失效模式,6005A铝合金与异种材质相比在腐蚀介质中腐蚀电位最低,表层晶粒尺寸和晶界析出相是影响铆接接头腐蚀疲劳性能的主要因素。

关键词： 6082-T6/6005A-T6异种铝合金铆接接头腐蚀疲劳性能粗晶层腐蚀电位

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异种铝合金MIG焊接接头的疲劳破坏行为

兵器材料科学与工程 2022年第3期45卷 99-104页

作者：郑自芹徐智宝张文亮张大江梁景恒张中东王萌于壮壮中国兵器科学研究院宁波分院山东烟台264003 内蒙古特种设备检验研究院包头分院内蒙古包头014032

用高频疲劳试验机、显微硬度计、OM、SEM、XRD等设备研究了5454-H24/6106-T6异种铝合金MIG焊接接头的显微组织及疲劳性能。结果表明:焊缝区为等轴晶组织,由α-Al基体+少量[FeMgO]析出相组成,5454-H24铝合金侧熔合区为α-Al基体+Al-Mg共... 详细信息

用高频疲劳试验机、显微硬度计、OM、SEM、XRD等设备研究了5454-H24/6106-T6异种铝合金MIG焊接接头的显微组织及疲劳性能。结果表明:焊缝区为等轴晶组织,由α-Al基体+少量[FeMgO]析出相组成,5454-H24铝合金侧熔合区为α-Al基体+Al-Mg共晶,6106-T6铝合金侧熔合区为α-Al基体+Al-Si共晶;拉伸试样断裂位置与6106-T6铝合金侧软化区一致;带余高焊接接头疲劳极限σ_(-1)=115 MPa,疲劳极限比σ_(-1)/R_(m)=56%,去除焊缝余高后焊接接头疲劳强度提升6.9%。低应力下疲劳源多位于焊缝表面气孔、疏松等焊接缺陷处,高应力下裂纹更易在焊缝边部的焊接缺陷处萌生。焊缝余高和焊接缺陷是影响焊接接头疲劳性能的主要因素。

关键词： 5454-H24/6106-T6异种铝合金 MIG焊接显微组织疲劳性能

温湿耦合老化对改性硅烷密封胶与PC粘接性能的影响

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中国胶粘剂 2023年第7期32卷 33-39页

作者：张静王浩徐智宝杨洋倪强郑自芹梁景恒中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266111 中国兵器工业第五二研究所烟台分所有限责任公司山东烟台264003

利用环境模拟试验箱、万能拉伸试验机、红外光谱仪、接触角测量仪和光学显微镜等设备,研究了温湿耦合老化(70℃/100%RH)环境对改性硅烷密封胶与轨道车辆车窗&灯罩用聚碳酸酯(PC)粘接性能的影响。研究结果表明:温湿耦合老化后改性硅烷密... 详细信息

利用环境模拟试验箱、万能拉伸试验机、红外光谱仪、接触角测量仪和光学显微镜等设备,研究了温湿耦合老化(70℃/100%RH)环境对改性硅烷密封胶与轨道车辆车窗&灯罩用聚碳酸酯(PC)粘接性能的影响。研究结果表明:温湿耦合老化后改性硅烷密封胶与灯罩用PC之间的粘接性下降明显,胶条剥离破坏形式从95%以上内聚破坏变为95%以上界面黏附破坏,拉剪强度降低93%以上,而车窗用试样老化后性能降低幅度较灯罩用试样小。温湿耦合老化后,灯罩用PC底涂与UV涂层之间存在起泡现象,这是灯罩用PC粘接性能降低的主要诱因。此外,高温加速了PC中酯类结构的水解,也可能是粘接性能降低的原因之一。

关键词：温湿耦合老化改性硅烷密封胶 PC 粘接性能界面开裂