摘要
近年来，锆合金因其具有高强度、低弹性模量、高耐蚀性和低磁化率的特性，已成为新型生物医用植入合金领域的研究热点之一。本文借鉴课题组前期在医用植入钛合金设计制备方面的经验，设计并制备了一系列Zr-Ti-Nb-O锆合金，深入研究了合金成分、固溶和冷轧工艺以及时效处理对合金显微组织、力学性能的影响，对优选的合金进行耐蚀性和磁化率测试并与纯钛和TC4进行对比。主要研究内容和结果如下：研究了Ti、Nb、O元素对铸态和固溶态锆合金组织与力学性能的影响。结果表明：Zr-(12, 22, 35)Ti合金在铸态和固溶态均由针状马氏体α′相组成。随Ti含量增加，压缩屈服强度和弹性模量增大，压缩率降低。总体上，合金的强度和弹性模量较高，但塑性较差。对于铸态Zr-35Ti-(0, 5, 10, 20)Nb-(0, 0.3)O合金，随Nb含量增加，α′相逐渐减少，β相增多（Nb含量≥10%，合金由纯β组成），导致压缩屈服强度和弹性模量逐渐降低，而塑性显著改善。添加O元素具有显著的固溶强化作用，但同时也提高了弹性模量，降低了压缩率。研究了固溶和冷轧工艺对Zr-35Ti-(10, 15, 20)Nb-(0, 0.3)O合金组织和力学性能的影响。冷轧使固溶态的等轴β晶粒转变为纤维状β晶粒，使合金强度显著升高，延伸率显著降低，而弹性模量变化不大。在相同状态下，随Nb含量增加，合金强度和弹性模量略有降低，延伸率显著增加；随O含量增加，合金强度和弹性模量增加，延伸率降低。冷轧加工、减少Nb含量和添加O元素均使晶格常数和残余应变增大、亚晶尺寸减小，这是导致合金强化的共性因素。研究了时效温度对冷轧Zr-35Ti-(10, 15, 20)Nb-(0, 0.3)O合金组织和力学性能的影响。在400℃-550℃时效，随温度升高，α析出量先增加后降低，在450℃时α含量最多。时效温度相同时，随Nb含量增加，α析出量减少；随O含量增加，α析出量略有增加。总体上合金的强度和弹性模量与 α 析出量呈良好的正相关性，而添加 O 元素使合金的强度和弹性模量增加。研究发现，550℃时效处理的 Zr-35Ti-10Nb 合金(σb=1076MPa;E=65GPa;A=10.5%)和450℃时效处理的Zr-35Ti-20Nb-0.3O合金(σb=1285MPa;E=67GPa;A=8.9%)具有较低的弹性模量和较高强度，在生物植入材料领域具有良好的应用前景。研究了 Zr-35Ti-(10, 20)Nb、Zr-35Ti-20Nb-0.3O 合金的耐蚀性和磁化率与合金成分的关系，并与纯钛和 TC4 进行了对比。研究发现，锆合金的 Icorr和 Ipass远小于纯钛和TC4，表明锆合金的耐蚀性远优于纯钛和TC4，腐蚀形貌的观察结果与电化学吻合；随Nb含量增加，锆合金耐蚀性显著增强，随O含量增加，合金耐蚀性有所减弱。试验还发现，锆合金的磁化率低于纯钛和 TC4；随 Nb、O 含量增加，锆合金的磁化率略有增大。
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