基于團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型的低彈性模量β-Ti合金的相析出行為與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.pdf

1、體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)的β-Ti合金具有與人體骨骼相近的低彈性模量特性以及優(yōu)異的生物相容性和耐蝕性而被引入生物醫(yī)用領(lǐng)域，且因其廣泛需求得到迅猛發(fā)展。β-Ti為高溫穩(wěn)定相，自高溫保留至室溫的過程中容易析出多種亞穩(wěn)過渡相，如六方結(jié)構(gòu)的ω相，斜方（正交結(jié)構(gòu)）的馬氏體（α'，α"）相等，且第二相析出會(huì)對合金性能產(chǎn)生影響。本文工作基于“團(tuán)簇+連接原子”結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)溶質(zhì)元素之間的混合焓確定不同元素在團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型中所占據(jù)位置，在(Ti，Zr)-(M

2、o，Sn)-Nb多元體系中（分別為三元、四元和五元體系）設(shè)計(jì)了一系列Ti合金成分[(Mo，Sn)-(Ti，Zr)14]Nb1,2，旨在研究系列Ti合金的β結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及第二相析出行為，以及β-Ti合金的低彈性模量與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)。
　　采用銅模吸鑄快冷技術(shù)制備直徑分別為3mm和6mm的系列[(Mo，Sn)-(Ti，Zr)14]Nb1,2合金棒，并對合金在950℃下固溶2h，隨后水淬處理;利用X射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(

3、TEM)鑒定系列合金組成相結(jié)構(gòu)以及微觀組織;利用MTS萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測試系列β-Ti合金的室溫拉伸力學(xué)性能;利用電化學(xué)工作站測試合金在Hank's人工模擬體液內(nèi)耐蝕性。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，吸鑄態(tài)[(Mo，Sn)-(Ti，Zr)14]Nb1，2系列β-Ti合金的彈性模量不僅與β結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有關(guān)（β結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性用Mo當(dāng)量公式Moeq表征），而且第二相析出類型也會(huì)影響合金模量。[(Mo，Sn)-(Ti，Zr)14]Nb1,2系列β-Ti合金

4、的彈性模量隨Moeq值(β結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性)增加基本呈單調(diào)增加趨勢;α"和ω第二相析出會(huì)使得該變化趨勢略有波動(dòng)，其中ω相的析出會(huì)導(dǎo)致模量急增。固溶處理使得溶質(zhì)原子充分?jǐn)U散，合金成分更加均勻，析出相含量降低，從而β-Ti合金的彈性模量比吸鑄態(tài)略有下降。其中，五元合金β-[(Mo0.5 Sn0.5)-(Ti13Zr1)]Nb1位于β穩(wěn)定的下限，其Moeq=8.1 wt.％，具有最低的彈性模量和高的抗拉強(qiáng)度(吸鑄態(tài):E=48 GPa、σb=715

5、MPa，固溶態(tài):ET=43 GPa、σbHT=569 MPa)。此外，低彈性模量β-Ti合金的基體組織通常表現(xiàn)為薄片狀及棒狀共存狀態(tài)。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明，過量Sn和Zr的加入會(huì)惡化合金耐蝕性，只有多種元素適量添加且共同作用才能使合金獲得優(yōu)異耐蝕性。[(Mo0.5Sn0.5)-(Ti13Zr1)]Nb1五元合金分別由等摩爾Mo、Sn組合Mo0.5Sn0.5以及低彈性模量元素Zr、Nb取代團(tuán)簇心部、團(tuán)簇殼層以及連接原子位置，多組元的協(xié)同作用