新型生物醫(yī)用鈦合金的組織與性能研究.pdf

1、鈦及其合金具有良好的生物相容性和力學(xué)性能，廣泛用作生物植入體材料，但仍存在彈性模量高，含有毒元素Al和V等不足。當(dāng)今，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有更低彈性模量的β鈦合金成為醫(yī)用鈦合金材料開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。本文依據(jù)鈦合金相關(guān)設(shè)計(jì)理論以及JmatPro軟件設(shè)計(jì)了Ti35Nb2Sn6Zr3Mo與Ti35Nb3.7Zr1.3Mo合金，系統(tǒng)研究了固溶時(shí)效工藝對(duì)Ti35Nb2Sn6Zr3Mo與Ti35Nb3.7Zr1.3Mo合金板材組織與性能的影響;同時(shí)研究了冷軋及熱

2、處理工藝對(duì)Ti30Nb5Ta6Zr與Ti35Nb3.7Zr1.3Mo合金棒材組織與性能的影響。
　　 根據(jù)相關(guān)鈦合金設(shè)計(jì)理論所設(shè)計(jì)的Ti35Nb-Sn-Zr-Mo合金，800℃固溶處理后的組織均為單一β等軸晶;平均晶粒尺寸隨著Sn與Zr含量的增加而減小，隨著Mo含量的增加先減小后增大;隨著Sn、Zr、 Mo合金元素含量的增加，合金的強(qiáng)度升高而塑性下降;彈性模量隨著Sn和Mo含量的增加而升高，隨著Zr含量的增加先下降后升高。固溶處

3、理后具有最高容許應(yīng)變的合金為T(mén)i35Nb2Sn6Zr3Mo。
　　 依據(jù)d電子合金設(shè)計(jì)理論和價(jià)電子濃度理論，設(shè)計(jì)了低彈高強(qiáng)Ti35Nb3.7Zr1.3Mo合金，其(Md)=2.45ev，e/a=4.24，(Bo)=2.869?；贘matPro材料性能模擬軟件，建立了Ti-Nb基合金固溶強(qiáng)度的預(yù)測(cè)公式。實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)合金的抗拉強(qiáng)度與預(yù)測(cè)值良好吻合（誤差＜4％），彈性模量隨著(Bo)值的增加而降低，Ti35Nb3.7Zr1.3Mo合

4、金固溶處理后的彈性模量?jī)H為54GPa。
　　 Ti35Nb3.7Zr1.3Mo合金在低溫時(shí)效時(shí)析出ω相;隨時(shí)效溫度升高，析出相由ω逐步轉(zhuǎn)變?yōu)棣敛l(fā)生粗化，使合金強(qiáng)度降低，但塑性得到改善。合金在450℃時(shí)效，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，12h內(nèi)α相數(shù)量增加，彌散強(qiáng)化效應(yīng)顯著;15h時(shí)α相顯著粗化，合金強(qiáng)度下降;在400℃時(shí)效，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，點(diǎn)狀α相逐漸增多，而后轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧瞀料?，合金?qiáng)度先升高后降低。Ti35Nb3.7Zr1.3Mo合

5、金經(jīng)不同二級(jí)時(shí)效溫度時(shí)效處理后，相對(duì)于一級(jí)時(shí)效，由于α相聚集長(zhǎng)大，強(qiáng)度小幅降低，塑性有所改善。對(duì)于Ti35Nb2Sn6Zr3Mo合金，該合金具有較強(qiáng)的β穩(wěn)定性，導(dǎo)致合金在時(shí)效的過(guò)程中α相的析出量較少，合金的強(qiáng)化效果有限。
　　 對(duì)于Ti30Nb5Ta6Zr合金棒材而言，當(dāng)形變率為23％及66％時(shí)，形變機(jī)制主要為形變孿晶以及位錯(cuò)滑移并伴隨著應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，其孿晶類(lèi)型分別為{112}<111>和{332}<113>;當(dāng)形變率為85％

6、時(shí)，其形變機(jī)制為位錯(cuò)滑移（主導(dǎo)）及應(yīng)力誘發(fā)馬氏體。隨著冷軋形變率的增加，Ti35Nb3.7Zr1.3 Mo合金棒材縱截面組織由等軸狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀，合金冷軋變形85％后仍為單一β相組織。Ti35Nb3.7Zr1.3Mo合金冷軋棒材在450-650℃退火后有α相析出;當(dāng)退火溫度高于600℃，冷軋棒材發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶;隨著退火溫度的升高，晶粒長(zhǎng)大，強(qiáng)度和彈性模量有所下降。通過(guò)控制經(jīng)高溫退火處理后的Ti30Nb5Ta6Zr與Ti35Nb3.7