钛表面酸洗加热处理对钛瓷结合强度影响的研究

发布时间：2020-09-22 18:31

　　目的：本实验用不同浓度盐酸酸洗后加热处理钛表面，制做成钛瓷试件，并用三点弯曲实验检测钛瓷结合强度。探讨钛表面酸洗加热处理对钛瓷结合强度的影响，为纯钛烤瓷工艺的改革，提高钛瓷结合强度提供实验依据。方法： 1试件的制作：规格为(25±1)mm×(3±0.1)mm×(0.5±0.05)mm的成品钛件共36件，打磨钛材表面，控制其厚度在0.5±0.05mm范围内，随机分为4组，每组9个。A组为空白对照组，不做任何处理；B组、C组、D组分别用5%、15%、25%盐酸于煮沸状态下酸洗40分钟，室温下自然冷却，蒸馏水超声清洗，充分干燥，大气压下加热到600℃保持6分钟，以100℃/min的升温速度加热到760℃压力为50hPa下保持1分钟，室温下自然冷却。在各组中随机取出一件打磨抛光侧面，预留做钛表面氧化层的电子显微镜观察。将剩余的4组共32个试件在25mm×3mm一面的中央8mm的区域用玻璃棒均匀涂布结合剂Ti-Bond，完全封闭纯钛表面且均匀一致，按厂家提供的烧结程序烧结。按照Duceratin Kiss瓷粉(以下简称DK瓷粉)使用说明书推荐的方法常规上瓷。遮色瓷涂布应用两次法，厚度控制在0.1mm±0.0lmm范围内，按程序烧结。涂布牙本质瓷，厚度控制在1mm±0.lmm范围内，按程序烧结。修整长方形瓷的外形，用240#、400#、600#、800#、1000#碳化硅砂纸逐级同向打磨，打磨过程中力量轻柔，控制尺寸在(8±0.l)mm×(3±0.l)mm×(1.1±0.l)mm范围内，边缘清晰，统一规范。自身上釉一次。所有操作均由作者一人完成。在各组中随机取出一件打磨抛光侧面预留做能谱仪扫描分析。 2三点弯曲试验：设定万能力学测试机，两支点间的跨距为20mm，支点和压头刃口的曲率半径为1.0mm。试件瓷体一面朝下放置，钛金属一面朝上。以1.5mm/min的速度缓慢施加垂直向力在8mm×3mm的瓷体所对应的钛金属面的中心点，直到钛材与瓷结合界面一端出现开裂，记录开裂时的断裂力F_(fail)(N)。此测试在室温下进行。用公式r_b=k· F_(fail)计算得出钛瓷结合强度。 3场发射电子显微镜观察：将已经预备好的钛材试件待测面朝上放置在样本台上固定并表面喷金,用场发射电子显微镜对测试表面扫描，观察钛氧化层的形态和结构。 4能谱仪线扫描分析：将已经预备好的钛瓷试件待测面向上放置在样本台上并固定。运用Inca Energy350能谱仪对测试表面进行线扫描分析，观察钛瓷结合界面区元素的种类和迁移距离。 5统计学处理：应用SPSS13.0统计软件对三点弯曲实验结果进行分析，如数据呈正态性且方差齐，用单因素方差分析和SNK检验；如数据不呈正态性或方差不齐，则用秩和检验。检验水准α=0.05。结果： 1钛试件酸洗后肉眼观察：钛试件表面质地变粗糙。随着盐酸浓度的增加，试件的颜色逐渐由浅灰到深灰（Fig.1）。酸洗后盐酸酸洗液颜色呈逐渐加深的紫色。 2三点弯曲试验结果：A组为25.92±3.49MPa，B组为30.25±3.48MPa，C组为41.37±4.48MPa，D组为34.71±4.06MPa(Table1)。SPSS13.0统计分析软件探索性分析显示数据呈正态性且方差齐，故选用单因素方差分析，方差分析显示各组钛瓷结合强度的总体均数间差异有统计学意义（P0.05）（Table2）。SNK两两比较结果显示任意两组两两比较，各组间总体均数差异具有统计学意义（P0.05）（Table3）。 3场发射电子显微镜观察结果：A组（Fig.2）钛件表面光滑清晰无微米级厚度的氧化层。B组（Fig.3）钛件表面有1微米厚的氧化层，与钛基体之间的无分界线。 C组（Fig.4）钛材表面有约为2～3微米厚的氧化层，与钛基体的无分界线但出现较小的孔洞。D组（Fig.5）钛件表面有约为4.5微米厚的氧化层，与钛基体有分界线，结构疏松，有较大形状不规则的孔洞。 4能谱仪线扫描分析结果：能谱图显示4组元素迁移总的趋势：Ti从钛基底到界面区逐渐降低且迁移到整个界面区，Si、O从瓷体到界面区逐渐降低，O的含量相对Si较低，在瓷内还有较低含量的元素Al、Na、K、Zr，并有向界面区迁移的表现。A组（Fig.6）反应层厚约1μm，曲线转角锐利，下降陡直。Si迁移到反应层内约0.7μm，O迁移到反应层内约0.5μm。B组（Fig.7）反应层厚约1.5μm，曲线转角比较圆钝。Si迁移到反应层内约1μm，O迁移到反应层内约0.5μm。C组（Fig.8）反应层厚约2.5μm，曲线转角圆钝，整体平缓。Si迁移到反应层内约2μm，O迁移到反应层内约1μm。D组（Fig.9）反应层厚约4.5μm，曲线转角比较圆钝。Si迁移到整个反应层，O迁移到反应层内约2μm。结论： 1钛表面酸洗加热联合处理能提高钛瓷结合强度。 2钛表面15%盐酸处理钛瓷结合强度最大，5%盐酸处理次之，25%盐酸处理最小，均大于未处理。
【学位单位】：河北医科大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2012
【中图分类】：R783.1
【部分图文】：

示意图,界面区,成分分布,钛瓷

Suansuwan[11]对钛瓷界面元素扩散的情况进行现 Ti、Si、K 在界面区扩散，而只观察到 Al 和 O 向钛基方者认为可能在瓷熔附过程中，Al2O3向钛方向移动，与钛发形成 TiO2，Al 则存留在 Ti 内。ononen[15]等分析了钛瓷结合界面，证明了钛瓷反应过程中钛及必要性。Kononen 通过热力学计算得出钛瓷结合区域主要为 SiO2 Ti5Si3（O） α·Ti（O） α·Ti。（Fig.1.3）A 层的，主要成分是 Si 和 O；B 层的左侧是钛基体。反应区域由：A 层富硅层，主要成分为 Ti5Si3（O）；B 层钛氧固溶层要是 α·Ti（O）。

【参考文献】