生物医用Ti-Nb-Zr-Sn合金组织和力学性能的研究

基于钛合金的d电子设计理论(DV-Xα分子轨道理论),本文设计一种成分为Ti-22Nb-4Zr-2Sn(at%)的稳定β型钛合金。采用冷坩埚感应熔炼的方法制备合金铸锭,经过热锻、热处理、冷轧和不同温度退火等工艺过程,采用X射线衍射(XRD)和金相组织观察对合金的相变特点进行研究;采用弯曲法测试合金的超弹性和形状记忆效应;采用静载拉伸法测试合金的拉伸性能。这种合金在室温下具有稳定的β相。热锻后经850℃保温0.5小时后淬火的合金能够冷轧90%而没有裂纹产生。冷轧产生的缺陷和内应力促进退火过程中的β→α转变。少量的α相的产生能够促进淬火过程中马氏体α”的形成,过多的α相则抑制α”的相产生。合金冷轧形成{100}<011>织构,低温退火强化{100}<011>织构;高温退火产生再结晶,再结晶织构为{112}<110>。弯曲实验表明合金具有良好的弹性和较低的形状记忆效应:300℃退火1小时后的合金在加载弯曲变形量6.5%时具有3.88%的弹性回复;800℃退火1小时后的合金具有最大形状记忆效应,形状记忆回复变形量为0.34%。热处理后合金的屈服强度高于500MPa;弹性模量在20～35GPa之间。热处理过程中产生的α相和ω相影响合金的力学性能、超弹性及形状记忆效应。采用仿生生长的方法能够使合金表面生长一层以羟基磷灰石(HA)为主的钙磷涂层,从而进一步改善合金的生物相容性。