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)計和開發(fā)具有更低彈性模量的β鈦合金成為醫(yī)用鈦合金材料開發(fā)的重點。本文依據(jù)鈦合金相關(guān)設(shè)計理論以及JmatPro軟件設(shè)計了Ti35Nb2Sn6Zr3Mo與Ti35Nb3.7Zr1.3Mo合金，系統(tǒng)研究了固溶時效工藝對Ti35Nb2Sn6Zr3Mo與Ti35Nb3.7Zr1.3Mo合金板材組織與性能的影響;同時研究了冷軋及熱

2、處理工藝對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)計理論所設(shè)計的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Ti35Nb2Sn6Zr3Mo。
　　 依據(jù)d電子合金設(shè)計理論和價電子濃度理論，設(shè)計了低彈高強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基合金固溶強度的預(yù)測公式。實驗表明設(shè)計合金的抗拉強度與預(yù)測值良好吻合（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僅為54GPa。
　　 Ti35Nb3.7Zr1.3Mo合金在低溫時效時析出ω相;隨時效溫度升高，析出相由ω逐步轉(zhuǎn)變?yōu)棣敛l(fā)生粗化，使合金強度降低，但塑性得到改善。合金在450℃時效，隨著時效時間的延長，12h內(nèi)α相數(shù)量增加，彌散強化效應(yīng)顯著;15h時α相顯著粗化，合金強度下降;在400℃時效，隨著時效時間的延長，點狀α相逐漸增多，而后轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧瞀料?，合金強度先升高后降低。Ti35Nb3.7Zr1.3Mo合

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

6、時，其形變機制為位錯滑移（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，晶粒長大，強度和彈性模量有所下降。通過控制經(jīng)高溫退火處理后的Ti30Nb5Ta6Zr與Ti35Nb3.7