不銹鋼與鈦合金支抗微種植體骨界面組織學

從組織學和力學上比較鈦合金和不銹鋼椎弓根螺釘?shù)墓牵葆斀缑娴膮^(qū)別。方法１８只成年微型豬隨機平均分為兩組，分別接受ｌ_４．５椎板切除，ｌ_４．５鈦合金和不銹鋼椎弓根螺釘內(nèi)固定手術。兩種裝置都是ｃｃｄ類型，螺釘具有相同的形狀和大小。術后觀察３個月。ｌ_４的兩個螺釘連同椎弓根一起取下進行組織計量學研究。ｌ_５的兩個螺釘維持原位不動，進行力學測試。力學測試包括螺釘?shù)呐まD試驗和拔出試驗。結果　螺釘扭轉試驗表明，鈦合金比不銹鋼椎弓根螺釘具有較高的扭轉扭矩（ｐ＝０．０４５，ｐ＜０．０５）、硬度（ｐ＝０．０４９，ｐ＜０．０５）。而拔出試驗中，兩組的拔出應力、硬度及屈服能量損耗差異無顯著性意義（分別為ｐ＝０．７８９，ｐ＝０．３１２，ｐ＝０．５０８，三者均ｐ＞０．０５）。骨與螺釘表面直接接觸在鈦合金組占４３．８％，而不銹鋼組僅為２９.４％。兩者差異有非常顯著性意義（ｐ＝０．００５，ｐ＜０.０１）。螺釘螺紋的持骨量兩組之間差異無顯著性意義（ｐ＝０．１０６，ｐ＞０．０５）。結論　鈦合金材料制成的椎弓根螺釘與不銹鋼相比具有更好的螺釘界面結合。螺釘扭轉試驗對骨－螺釘界面的研究更有意義。螺釘拔出試驗對于同等大小和形狀的不同材料的螺釘比較?

一、鈦合金 鈦是20世紀50年代發(fā)展起來的一種重要的結構金屬，鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、 耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相 繼對其進行研究開發(fā)，并得到了實際應用。20世紀50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機用 的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金，70年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕 鈦合金和高強鈦合金得到進一步發(fā)展。鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件，其次為 火箭、導彈和高速飛機的結構件。 鈦合金的密度一般在4.51g/cm3左右，僅為鋼的60%，純鈦的強度才接近普通鋼的強度， 一些高強度鈦合金超過了許多合金結構鋼的強度。因此鈦合金的比強度(強度/密度)遠大于其 他金屬結構材料，可制出單位強度高、剛性好、質(zhì)輕的零、部件。目前飛機的發(fā)動機構件、 骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合

分析了鈦及鈦合金與不銹鋼的物理化學性能的差異對連接接頭性能的影響以及鈦合金與不銹鋼焊接接頭的性能,綜述了國內(nèi)外鈦及鈦合金與不銹鋼擴散連接的發(fā)展現(xiàn)狀,展望了表面自納米化技術在鈦及鈦合金與不銹鋼擴散連接上的運用及發(fā)展。

“米切爾”鋼鐵股份公司是俄羅斯最大的不銹鋼薄板和卷板生產(chǎn)廠之一。該廠生產(chǎn)的鋼種很多——由低碳鋼（〈0．03％c）到高合金鋼一應俱全。全球不銹鋼冶金發(fā)展的主要趨勢是把碳含量降到0．03％以下，這樣就不需要為了防止晶間腐蝕傾向，而加入昂貴的穩(wěn)定劑，特別是鈦。

對ta17鈦合金與1cr18ni9ti不銹鋼的焊接接頭強度進行了實驗研究。采用恒溫恒壓擴散焊、相變超塑性擴散焊和脈沖加壓擴散焊實現(xiàn)了鈦合金和不銹鋼的焊接,測試了焊接接頭的強度,并對接頭進行了金相觀察。結果發(fā)現(xiàn):3種接頭的強度都達到了264mpa,且接頭為多層次的多相組織。物相分析發(fā)現(xiàn)鈦合金不銹鋼接頭中存在fe2ti和σ(fecr)兩種脆性金屬間化合物。脈沖加壓擴散焊能促進擴散過程,減少金屬間化合物的形成,改善其分布,是一種較有前景的擴散焊方法。

針對不銹鋼和鈦合金材料在攻絲時的難題,如何在實際加工中選取合理的攻絲條件。我們首先分析兩種材料的加工特性,又從絲錐材料、切削速度、切削液三方面說明了對不銹鋼和鈦合金材料攻絲加工時的影響和選取方法。

國內(nèi)首創(chuàng)mt—1型磨削鈦合金及bu—1型磨削不銹鋼專用砂輪(發(fā)明專利證書號970)。最近已由國營蘇北砂輪廠引進開發(fā),并批量投入生產(chǎn)。該產(chǎn)品解決了耐熱合金鋼等硬而韌材料的磨削關鍵。經(jīng)專家鑒定,其自銳性好,磨削效率比普通砂輪提高1—2倍,砂輪氣孔不易堵塞,對工件燒傷、嘴斑

鈦合金/鋼異種金屬結構擴散連接技術所涉及的核心問題之一就是了解氧化及生成的金屬間化合物對接合界面組織和性能的影響及如何選擇中間層金屬。采用掃描電鏡、x射線衍射等分析手段,考察了以銅為對象的表面氧化物和生成的金屬間化合物對銅/鈦合金及鈦合金/銅/不銹鋼擴散連接界面的組織和性能的影響。結果表明:銅表面的氧化程度對接合界面金屬間化合物生成程度影響較大,在一定版芯的氧化極限內(nèi),表面氧化越強烈,生成的金屬間化合物越多,不利于接頭性能的提高;但金屬間化合物對接合界面組織和性能的影響較氧化物cuo本身對接合界面性能的影響大,是影響接頭強度的主要原因。直接作為鈦合金的中間過渡層的銅箔不宜過厚。

采用銅和銅加釩作中間金屬,探索了鈦合金tc4與不銹鋼1cr18ni9ti的真空擴散焊工藝,對接頭成分、組織進行了分析。結果表明:采用一層中間金屬銅進行擴散焊時,接頭的強度很低,呈脆性斷裂;采用兩層中間金屬銅加釩時,接頭的強度與銅層的相對厚度有關,最高強度可接近母材不銹鋼強度的下限。

不銹鋼_鎳基合金及鈦合金的酸洗

采用金相顯微鏡、電子顯微鏡、x射線能譜儀、顯微硬度、力學試驗等檢測手段,對ta17鈦合金/ag95cunili/0cr18ni10ti不銹鋼釬焊接頭的組織特征進行了分析。結果表明:釬縫中不銹鋼/釬料一側,形成了三層金屬間化合物釬縫組織;在鈦合金/釬料一側,形成兩個組織區(qū)域;同時,銀沿鈦合金晶間擴散;在凝固釬焊接頭的釬縫中,靠近不銹鋼一側出現(xiàn)了ti、cu的富集;靠近鈦合金一側cu原子的含量明顯升高,釬縫中心區(qū)基本上是純銀;釬縫中除不銹鋼/釬料擴散層外,其他各微區(qū)的顯微硬度并沒有增加;從釬縫斷口分析也證明釬縫中靠近不銹鋼一側是接頭最薄弱的位置。

用相變超塑性擴散焊法實現(xiàn)了鈦合金ta17與不銹鋼0cr18ni9ti之間的連接。研究了工藝參數(shù)對接頭強度的影響,得到試驗條件下鈦合金與不銹鋼焊接的優(yōu)化工藝參數(shù)為循環(huán)上限溫度890℃,循環(huán)下限溫度800℃,循環(huán)次數(shù)10,焊接壓力5mpa,循環(huán)加熱速度30℃/s。在優(yōu)化的工藝條件下,接頭強度達到307mpa,而焊接時間僅為160s。對拉伸斷口進行了掃描電鏡觀察、能譜分析和x射線衍射分析,發(fā)現(xiàn)斷裂沿feti和β-ti層之間的某一個位置發(fā)生,feti金屬間化合物層是接頭的最薄弱環(huán)節(jié)。對接頭進行了能譜分析,結合fe-cr-ti三元相圖發(fā)現(xiàn),鈦合金與不銹鋼之間的反應區(qū)內(nèi)依次形成了σ、fe2ti、feti和β-ti層。

通過對ta17/0cr18ni9ti相變超塑性擴散焊接頭拉伸斷口的觀察分析,研究了其接頭的組織結構,斷裂機制。分析表明,在焊接過程中,由于鈦合金/不銹鋼兩側的ti、fe、cr等原子的互擴散,在接頭界面處形成了β-ti、feti、fe2ti、σ等物相。由于界面處缺陷的存在以及鈦合金側拉向殘余應力的存在,使拉伸斷裂主要發(fā)生在β-ti和feti中。分析還發(fā)現(xiàn),接頭對缺陷很敏感,焊接端面上的倒角、劃痕及孔洞會使接頭的強度降低。

在航天、化工等領域經(jīng)常需要對鈦合金和不銹鋼進行焊接.不銹鋼和鈦合金的復合構件能充分發(fā)揮2種材料的優(yōu)點,并能節(jié)約寶貴的鈦資源.利用相變超塑性擴散焊接方法,在gleeble-1500d型熱模擬試驗機上對ta17鈦合金與0cr18ni9ti不銹鋼進行了焊接試驗,并對熱循環(huán)上限溫度的影響、接頭拉伸強度、斷口形貌、顯微組織、物相組成和元素成分分布等進行了分析.結果發(fā)現(xiàn),焊接接頭中形成了tife、tife2、固溶體等物相,而且隨著上限溫度的升高,斷口上金屬間化合物所占面積比例增大,從而造成接頭強度降低.

分析了鈦合金與不銹鋼的物理化學性能的差異對焊接接頭性能的影響,綜述了國內(nèi)外鈦合金與不銹鋼擴散焊接的研究現(xiàn)狀,對鈦合金與不銹鋼的焊接界面進行表面自納米化處理后,在擴散焊接過程中能夠顯著提高原子擴散系數(shù),抑制脆性金屬間化合物生長,改善接頭組織和提高接頭綜合性能。展望了鈦合金與不銹鋼擴散焊接的發(fā)展趨勢。

簡要介紹了俄羅斯制造雙金屬異徑轉接管的兩種焊接方法。舉例說明了俄羅斯學者研究的不銹鋼-鈦合金轉接管的結構及其真空擴散焊接工藝過程。通過大量的焊接試驗與研究,制訂了成熟的不銹鋼與鈦合金轉接管擴散焊接工藝和相關的技術文件,擴大了真空擴散焊在異種金屬連接中的應用。

對鐵合金tc4與不銹鋼icrl8ni9ti異種金屬擴散焊接頭的結合性能進行了試驗研究，利用光學顯微鏡、掃描電鏡、電子探針儀等對接頭進行了微觀分析．結果表明：tc4/1cr19ni9ti直接擴散焊時，由于母村組元的相互擴散和遷移，在交界面附近形成了金屬間化合物層，而導致接頭脆斷．采用釩十銅作中間過渡金屬，則有效地防止了ti與fe、cr、ni的相互擴散和遷移，保證了鈦合金tc4與不銹鋼1cr18ni9ti的良好連接．接頭的強度與軟質(zhì)中間層銅的厚度有關，最高強度可接近母材不銹鋼的下限．

目的評價自攻型微螺釘種植體支抗的療效。方法安氏ⅱ1錯合患者20例，年齡在13～25歲。應用上頜后牙區(qū)自攻型微螺釘種植體作為史抗內(nèi)收前牙，治療前、后拍攝頭顱定位側位片，并測量切牙和磨牙的治療變化。結果16例患者應用自攻型微螺釘種植支抗順利完成正畸治療，均建立了正常的前牙覆合覆蓋關系，上頜第一磨牙在前、后向和垂直向未發(fā)生顯著性移動，切牙在前、后向發(fā)生顯著性移位，患者的上頜凸度明顯改善。結論自攻型微螺釘種植體是一種穩(wěn)固、舒適的支抗系統(tǒng)，達到支抗磨牙的穩(wěn)定，有效治療擁擠、前突畸形。

用橋式試樣研究了接觸壓力、微動幅度、溫度、循環(huán)次數(shù)、高低周載荷幅值比等參數(shù)對微動疲勞壽命影響。結果表明拉應力和法向壓力均影響微動疲勞壽命。當拉應力較大時，微動疲勞壽命（ｆｆｌ）與普通疲勞壽命（ｐｆｌ）相差不大，法向壓力的影響不明顯；拉應力較小時，ｆｆｌ顯著低于ｐｆｌ，且法向影響顯著。ｆｆｌ隨法向壓力增加而降低，但當超過２００ｍｐａ后，反而提高。高低周幅值比的增加，ｆｆｌ大幅度降低。當幅值比為０．１２５，從室溫到４５０℃，ｐｆｌ持續(xù)降低。而ｆｆｌ從室溫到２００℃降低幅度較大，在３００℃左右恢復，隨后又降低。研究表明ｆｆｌ的恢復是微動表面形成了防護性釉質(zhì)層的結果。

對鈦合金tc4與不銹鋼1cr18ni9ti異種金屬擴散焊接頭的結合性能進行了試驗研究,利用光學顯微鏡,掃描電鏡,電子探針儀等對接頭進行了微觀分析。

目的:探討自攻型微螺釘種植體支抗治療牙齒正畸患者的臨床效果。方法:隨機選取到我院治療牙齒正畸患者43例,分成實驗組(22例)和對照組(21例),對照組采取傳統(tǒng)治療,實驗組采取自攻型微螺釘種植體支抗治療,結束后比較兩組治療效果。結果:對照組顯效10例,有效6例,無效5例,總有效率為76.2%,實驗組顯效11例,有效9例,無效2例,總有效率為90.9%,兩組進行差異比較,χ2=6.63,p<0.05,達到顯著水平。結論:采取自攻型微螺釘種植體支抗技術對牙齒正畸患者進行治療,其效果要優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

鈦合金和不銹鋼的異種金屬結構具有廣闊的應用前景,但實現(xiàn)其應用的關鍵是兩者可靠的連接。綜述了鈦合金和不銹鋼焊接存在的問題以及國內(nèi)外擴散焊接研究進展,并提出了進一步的研究方向。