【摘 要】
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当前的医用Ti-Ta合金或复合材料通常强度不高,或者强度较高,但是延伸率较低,且它们的弹性模量普遍偏高。针对这些问题,本文设计和制备了Ti/Ta层状复合材料,以提升Ti-Ta复合材料的综合力学性能。主要研究了在不同温度下连接制备的Ti/Ta层状复合材料的组织和性能之间的关系。在此基础上,通过调控Ti层和Ta层厚度比优化了复合材料的结构和性能,得到了以下主要结论:（1）制备的Ti/Ta层状复合材料界
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当前的医用Ti-Ta合金或复合材料通常强度不高,或者强度较高,但是延伸率较低,且它们的弹性模量普遍偏高。针对这些问题,本文设计和制备了Ti/Ta层状复合材料,以提升Ti-Ta复合材料的综合力学性能。主要研究了在不同温度下连接制备的Ti/Ta层状复合材料的组织和性能之间的关系。在此基础上,通过调控Ti层和Ta层厚度比优化了复合材料的结构和性能,得到了以下主要结论:（1）制备的Ti/Ta层状复合材料界面连接较好,且具有多层次的梯度结构。在不同连接温度下,复合材料中Ta层的组织变化不大,但Ti层的组织差异较大。当连接温度为1000°C时,Ti层中间形成了板条马氏体α’;当温度为1100°C和1200°C时,Ti层中间形成针状马氏体α",当温度为1300°C时,Ti层中间双相α"+β-Ti;温度达到1400°C时,Ti层中仅形成纯β-Ti相。不同的组织结构对复合材料的力学性能有重要影响,增加复合材料中α"/β的双相组织占比,可以有效提升复合材料的综合力学性能。（2）Ti/Ta层状复合材料中的Ti和Ta元素的扩散行为明显不同。随着扩散连接温度的升高,两种元素的扩散距离均随着连接温度的升高而增加,但是Ta的扩散距离明显大于Ti的。Ta元素的扩散激活能Q为67.1k J/mol;Ti元素的扩散激活能Q为115.5k J/mol。（3）设计制备的Ti/Ta层状复合材料具有较好的综合力学性能,其中1300°C下连接的Ti/Ta复合材料具有最优的综合力学性能。Ti/Ta100复合材料的抗拉强度、弹性模量和延伸率分别为554MPa,76.4GPa和14.9%;通过改变Ta层厚度,优化Ti层与Ta层的厚度比,可以使复合材料综合力学性能得到进一步提升。Ti/Ta（30-100）复合材料的抗拉强度、弹性模量和延伸率分别为662MPa,73.1GPa和12.5%;Ti/Ta30复合材料的抗拉强度、弹性模量和延伸率分别为823MPa,71.3GPa和6.0%。（4）根据Ti/Ta层状复合材料中的成分、组织和性能之间的对应关系,构建了复合材料的室温抗拉强度模型;通过模型计算获得的抗拉强度与实验测得的抗拉强度匹配较好。（5）Ti/Ta层状复合材料的断后延伸率随连接温度的升高而降低。不同连接温度下制备的Ti/Ta层状复合材料的拉伸断口形貌类似。但是,Ta层和Ti层的断口形貌存在差异。其中,Ta层的断裂模式为韧性断裂。Ta层断裂表面呈中间突起的山脊状,并可见许多滑移痕迹。Ti层的断裂方式随着连接温度的升高发生了改变,由韧性断裂方式转变为准解理断裂。
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