论文部分内容阅读
钛合金因其优异的综合性能在外科植入领域备受瞩目，但仍存在弹性模量高，含Al、V有毒元素等不足。近年来TiNbTaZr系合金因添加了无毒元素Nb、Ta、Zr，且具有更低的弹性模量而成为新型医用植入材料研究的热点。本文以Ti30Nb为基础，针对Ti30Nb5TaxZr和Ti30NbxTa6Zr系列合金（x=0、3、6、9、12、15），系统研究了固溶和时效热处理工艺以及Zr、Ta含量对其组织与性能的影响。
根据d电子理论、电子浓度理论及Kβ值设计了具有低弹性模量的优化合金Ti35.28Nb14.62Zr0.1Ta，发现合金经固溶和时效处理后均具有中高强度、较低的弹性模量，但延伸率较差。这表明，上述理论对设计低弹性模量合金具有一定的指导作用。
试验发现，随Zr、Ta含量增加，固溶态Ti30Nb5TaxZr和Ti30NbxTa6Zr合金的β晶粒细_化，淬火α"相逐渐消失；强度逐渐增大（Ta对强度贡献较小），弹性模量降低，延伸率下降。Zr含量≥6wt％时β晶粒尺寸基本保持不变，α"相完全消失。Ta含量≥3wt％时，β晶粒尺寸逐步细化，α"相完全消失。添加Zr（≤6wt％）和Ta（≤9wt％）时，合金在形变过程中产生应力诱发马氏体α"，使塑性保持较高水平；Zr、Ta含量过高，诱发相变停止，合金塑性显著下降。Ti30Nb5TaxZr合金时效后，随Zr含量增加，析出α相尺寸粗化，数量减少。0～9wt％Zr时，α相弥散析出；12～15wt％Zr时，α相非弥散析出。同固溶态合金相比，合金时效后强度增大，塑性下降，弹性模量有所增大。
Zr和Ta对合金的组织与性能具有相似的影响作用，但合金的力学性能对Zr含量的变化更加敏感。随Zr、Ta含量的增加，合金弹性模量降低，与相关合金设计理论的预测结果相吻合，并再次证明了该理论的指导作用。
本实验所得合金弹性模量均在70GPa以下，且固溶态合金Ti30Nb5Ta9Zr、Ti30Nb5Ta12Zr、Ti30Nb6Zr和Ti30Nb3Ta6Zr以及时效态合金Ti30Nb5Ta6Zr综合力学性能优异，能满足人体植入要求。尤其是时效态合金Ti30Nb5Ta6Zr，其强度已经达到Ti6A14V合金的水平，但弹性模量只有后者的60％左右。