低模量β-鈦合金Ti-Nb-Sn-Zr成分設(shè)計及其組織與性能研究.pdf

1、鈦及鈦合金是繼不銹鋼、鈷基合金、貴金屬等材料之后的新一代生物醫(yī)用金屬材料。鈦及鈦合金具有高強度、高韌性、低彈性模量、耐腐蝕、耐磨損性能和優(yōu)越的生物相容性，成為醫(yī)用內(nèi)植入體產(chǎn)品的首選材料。
　　本文借助于團(tuán)簇模型理論，即以CN14配位多面體作為基礎(chǔ)團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)模型，并對團(tuán)簇適當(dāng)?shù)暮辖鸹?。根?jù)合金元素Nb、Sn、Zr與Ti之間的混合焓大小，可建立以Sn為中心原子，Ti為殼層的SnTi14團(tuán)簇，Nb作為連接原子取3，得到基礎(chǔ)團(tuán)簇加連接原子

2、模型[SnTi14]Nb3，所設(shè)計鈦合金電子濃度(e/a)為4.167，鉬當(dāng)量(Mo)為7.9。
　　由于Ti和Zr具有相似的化學(xué)特征，利用Zr原子部分取代團(tuán)簇殼層上的Ti原子后，Zr與連接原子Nb的混合焓為更正，就意味著Zr合金化可以弱化連接原子Nb與團(tuán)簇殼層原子(Ti、Zr)的結(jié)合力，亦即降低了團(tuán)簇之間的連接強度，因而有望降低材料整體彈性模量。同時，Zr與團(tuán)簇中心原子Sn的混合焓更負(fù)(ΔHSn-Zr=-43kJ/mol)，可使

3、團(tuán)簇結(jié)合力更強，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，以利于獲得穩(wěn)定β相結(jié)構(gòu)。
　　本次實驗用真空電弧熔煉爐熔煉四個成分Ti-26Nb-11Sn、Ti-25.6Nb-10.8Sn-4.2Zr、Ti-25.1Nb-10.7Sn-8.2Zr、Ti-24.6Nb-10.4Sn-12Zr合金鑄錠，分別對鑄態(tài)及均勻化處理后合金進(jìn)行XRD相分析及金相顯微組織分析，結(jié)果表明所設(shè)計的合金在鑄態(tài)及均勻化處理態(tài)下均為單一β相，滿足設(shè)計理論要求。
　　對均勻化處理合金進(jìn)

4、行硬度測試，結(jié)果表明隨著Zr含量的增加，固溶強化效應(yīng)越顯著，合金硬度值越高，最高硬度值達(dá)到302.8HV0.2。對均勻化處理合金進(jìn)行壓縮變形力學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)四個合金均具有超好塑性，且彈性模量值隨著Zr含量的增加而降低。這是因為Zr含量越多，團(tuán)簇之間的連接強度越弱，彈性模量越低。實驗結(jié)果顯示:最低壓縮彈性模量值達(dá)到9.08GPa。對均勻化處理合金進(jìn)行電極極化曲線測定，成分為Ti-25.1Nb-10.7Sn-8.2Zr的鈦合金具有最佳耐腐