摘要
医用纯钛具有良好的生物相容性、较好的塑性和韧性，ZrO2陶瓷具有优异的耐腐蚀性、耐磨性，良好的生物相容性及绝缘且能透过无线电波的优点，故将二者通过钎焊连接的方式实现功能互补即可满足对可植入医疗器件的需求。通常纯钛与ZrO2陶瓷的连接是通过高温下ZrO2陶瓷脱O和Ti原子反应形成Ti-O层实现的，而较高的温度会导致纯钛的性能受到损害，故应采取先在ZrO2陶瓷表面预先形成起到连接作用的氧化物层再与纯钛相连的方法。 本课题实现了医用纯Ti和ZrO2陶瓷在较低温度下的间接钎焊连接，设计了具有生物相容性的钎料体系。采用Sn-Ti钎料对ZrO2陶瓷进行表面金属化，再将AuSn20钎料置于金属化后的ZrO2陶瓷与纯Ti之间进行钎焊，探究得到性能最佳接头的工艺参数，分析不同参数对接头组织及力学性能的影响，为可植入医疗器件领域的陶瓷/钛合金的连接提供理论基础。 通过对金属化工艺参数的优化，发现金属化层制备工艺、金属化层成分、金属化温度以及金属化层厚度对金属化层宏观形貌和微观界面组织有显著影响，得到的最优金属化工艺参数为采用箔片状的Sn-3Ti钎料，金属化温度为1000℃。通过对陶瓷/金属化层界面微观组织观察与物相分析，在该最优工艺参数下，陶瓷/金属化层界面组织为ZrO2/Ti2O3+Ti11.31Sn3O10/β-Sn+Ti2Sn3+Ti6Sn5，此时Ti2O3相和Ti11.31Sn3O10相在ZrO2陶瓷与金属化层的界面连接中起到了关键作用。 通过对金属化及钎焊工艺参数的优化，发现金属化层厚度、钎焊温度以及保温时间对钎焊接头界面微观组织及力学性能有显著影响，得到的最优参数为采用金属化层的厚度为150μm，钎焊温度为550℃，保温时间为30min。通过对钎焊接头界面物相分析及剪切强度测试，在该最优工艺参数下，接头典型界面组织为ZrO2/Ti2O3+Ti11.31Sn3O10/β-Sn+Ti6Sn5+Ti3Sn+AuSn2+AuSn4+块状AuTi5Sn3/层状AuTi5Sn3/Ti。随着金属化层增厚、钎焊温度升高及保温时间延长，接头剪切强度先增大后减小，在最优参数下强度最高为48.6MPa，接头断裂于陶瓷测Ti2O3层处并沿AuSn2相和块状AuTi5Sn3相扩展。较薄且连续的Ti2O3层会使ZrO2陶瓷/钎缝界面连接强度更高，而接头界面中大量呈块状分布的AuSn2相以及Ti侧较厚的AuTi5Sn3层均会造成接头剪切强度的降低。
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