生物医用中熵合金组织与性能研究

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近些年研究学者提出新的合金设计理念——多主元高熵合金(High Entropy Alloys,HEAs)。正是在该理念下,开发出一系列bcc结构的钛系HEAs,其表现出高屈服强度、良好的生物相容性和高耐蚀性等优点,成为目前开发医用钛合金的热点。但该类HEAs表现出室温脆性,限制了合金的进一步应用。基于最近提出的价电子理论合金设计策略——通过控制合金化来降低价电子浓度(Valence Electron Concentration,VEC)使bcc型HEAs本质上具有延展性。本文设计了新型医用合金体系——Ti46-xZr37Nb16Fe1Mox(x=0,1,2,3,5,10,at.%)。将研究重心放在突破HEAs室温脆性这一短板上,通过调控Mo元素的含量及采用冷轧等手段制备具有优良综合性能的医用合金,深入研究Mo元素含量的变化及冷轧工艺对合金显微组织和性能的作用机理。得出以下结论:(1)设计出由单一bcc相组成的Ti46-xZr37Nb16Fe1Mox六种合金。当4.30≤VEC≤4.40时,合金表现为拉伸脆性断裂;4.20≤VEC≤4.26,合金表现为拉伸韧性断裂。其中,在基体合金Ti46Zr37Nb16Fe1中添加1at.%Mo的合金实现了强塑性同步提高,具有最佳的综合拉伸力学性能。x≥1时,压缩屈服强度大于700 MPa,且五种合金形变量超过90%均未出现断裂,弹性模量均低于30 GPa,具有潜在的生物医用价值。(2)采用冷轧手段改善具备最佳拉伸综合力学性能的Ti45Zr37Nb16Fe1Mo1合金强度不够高的短板。冷轧后合金的拉伸屈服强度为1139 MPa,断裂延伸率仍接近10%。归因于大变形后部分α’’相转为孪晶结构,且晶粒在位错滑移和剪切带相互作用下不断被细化到纳米级所致。(3)冷轧前后Ti45Zr37Nb16Fe1Mo1合金的平均摩擦系数分别为0.54和0.56,略低于传统医用Ti6Al4V、Co-Cr-Mo合金。铸态Ti45Zr37Nb16Fe1Mo1合金在模拟体液(Phosphate Buffer Solution,PBS)中表现出最佳且优于医用合金Ti6Al4V的耐蚀性;Ti44Zr37Nb16Fe1Mo2合金和冷轧Ti45Zr37Nb16Fe1Mo1合金和Ti6Al4V合金耐蚀性相当。
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