低彈性模量Ti-Nb基鈦合金的成分設計及性能研究.pdf

1、從20世紀中葉以來，以鈦及鈦合金為主的生物醫(yī)用材料開始廣泛應用于人體失效的硬組織替換，并在之后的研發(fā)、應用中取得了突破性進展，極大的提高了人們的生存質量。生物醫(yī)用鈦合金由于其彈性模量低、強度高、生物相容性好、比強度大、耐蝕性能優(yōu)異等特點，成為人體醫(yī)用植入產(chǎn)品的首選材料。
　　本課題以團簇模型理論作為研究基礎，用CN14團簇模型表示體心立方結構β-Ti合金的成分式，根據(jù)團簇內各合金化元素間的混合焓△H大?。ā鱄用于團簇內部表征原子間

2、的相互作用力的大小，△H越負相互吸引力越大，△H越正相互排斥力越大），并在電子濃度e/a=4.17的約束下，從理論上確定以Sn充當中心原子、Ti為殼層原子、Nb為連接原子的“團簇+連接原子”模型[SnTi14]Nb3。用真空電弧熔煉爐將原料熔煉成Φ30mm，高10mm鈕扣狀合金鑄錠，經(jīng)過成分分析、金相觀察、XRD測試和納米壓痕測試等測試方法的檢測。
　　我們的實驗主要分為三個階段，第一階段利用Zr原子取代中心原子Sn，團簇的實際表

3、達式為[(Sn1-xTix)（Ti14-xZrx）]Nb3(x=0、0.3、0.5、0.7);第二階段在[SnTi14]Nb3的基礎上逐步減少Sn元素含量，得到[Sn1-xTi14+x]Nb3(x=0、0.1、0.2、0.3、0.4)的團簇式;第三階段是在第二階段減少三元合金中Sn含量的基礎上，加入Zr原子進行合金化，使之取代團簇殼層上的Ti原子，成分式為[(SnXTi1-X)(Ti14-YZrY)]Nb3（X由三元合金確定，Y=0.2

4、、0.4、0.6、0.8）。
　　實驗驗證了在鈦合金中團簇模型應用的可行性，證明了團簇結構與合金相組織之間存在一定聯(lián)系，隨著團簇內部混合焓降低，鈦合金的β相穩(wěn)定性也隨之下降合金由β相向α相過渡。在三個階段的試驗中，三元合金[Sn0.8Ti14.2] Nb3的彈性模量(65.6 GPa)和硬度(959.3HV)最低，此時合金由α"+β相共同組成。在三元合金基礎上添加Zr元素的[(SnXTi1-X)（Ti14-YZrY）]Nb3系列合