摘要
临床上应用最广泛的医用材料是金属生物材料，其中钛合金由于具有无毒、生物相容性好、比强度高、弹性模量低等性能成为备受欢迎的材料。在生物医用材料的发展中，纯钛、Ti-6Al-4V和Ti-5A1-2.5Fe等合金相比于人体骨骼弹性模量较高，植入人体会产生“应力屏蔽效应”。Al、V等元素有毒会渗入植入体周围，导致人体中毒甚至致癌、致畸。因此，无毒、耐腐蚀、生物相容性好的生物医用钛合金成为研究热点。基于此，本课题以发展新型生物医用材料为目标，采用钼当量法和d-电子合金设计理论，对Ti-25Zr-xNb（x=0、5、10、15、20、25wt.%）和Ti-20Zr-10Nb-xMo（x=0、3、6、9wt.%）合金成分进行设计和优化，探索轧制变形和热处理工艺参数，设计具有较低弹性模量和良好生物相容性的钛合金生物医用合金体系，并系统研究合金体系的相变、组织演化和腐蚀行为。 首先，采用非自耗真空电弧熔炼炉制备了一系列不同Nb含量的Ti-25Zr-xNb合金，研究Nb添加对合金微观组织、力学性能以及腐蚀性为的影响规律。结果表明：随着Nb含量的增加，合金的相结构发生α→α′→α′+β→α′′+β→β变化。Nb元素的添加提高了Ti-25Zr-xNb合金的最大抗压强度和压缩塑性。当Nb添加量为25wt.%时，合金压缩塑性最好；当Nb含量为15wt.%时，合金在37℃的SBF溶液中自腐蚀电流密度icorr值最小为94.3nA·cm-2，Rp值最大为652.4kΩ·cm2，表明其耐腐蚀性最好。 其次，将铸态Ti-25Zr-xNb合金在750℃下进行热轧，变形量均大于80%，研究热轧态Ti-25Zr-xNb合金微观组织和性能。结果表明：随着合金中Nb含量的增加，合金的相结构发生了α′→α′+β→α′′+β→β的变化。Ti-25Zr-xNb合金在37℃SBF溶液中的耐腐蚀性优于Ti-6Al-4V合金。当Nb含量为5wt.%时，合金的自腐蚀电流密度icorr值最小为25.5nA·cm-2、Rp值最大为2152.7kΩ·cm2，合金耐腐蚀性最好。 再次，分别在β单相区和α+β双相区对Ti-25Zr-15Nb合金保温1h后，进行空冷、水冷和炉冷，研究不同冷却速率对合金的微观组织、力学性能以及腐蚀行为的影响规律。结果表明：热处理后的Ti-25Zr-15Nb合金主要由六方结构的α′相、斜方结构的α′′相和体心立方结构的β相组成，随着保温温度由α+β两相区升高到β单向区，合金的相结构发生α′+α′′→α′+α′′+β的转变。在600℃保温1h后随炉冷后，合金最大抗压强度、压缩屈服强度、压缩塑性应变和硬度最大分别为1300MPa、780MPa、27.3%和307HV0.2。该合金试样在37℃SBF溶液中的自腐蚀电流密度icorr值最小为22.2nA·cm-2，Rp值最大为2030.5kΩ·cm2，该状态下合金耐腐蚀性最好。 最后，通过添加不同含量的Mo元素，研究其含量对铸态Ti-20Zr-10Nb-xMo合金组织和性能的影响。结果表明：随着Mo元素添加量的增加，Ti-20Zr-10Nb-xMo合金相结构发生了α′+β→α′′+β→β的变化；平均晶粒尺寸随着Mo元素含量的增加而逐渐降低。合金中加入Mo元素后，合金的最大抗压强度和屈服强度呈现先降低后升高的趋势，而显微硬度则先增大后降低。在37℃SBF溶液中Ti-20Zr-10Nb合金的自腐蚀电流密度icorr值最小为33.19nA·cm-2，极化电阻Rp值最大为1531.52kΩ·cm2，其耐腐蚀性最好。
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