生物工程用低弹性模量钛合金组织与性能的研究

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1、摘要生物工程用钛合金具有高强度、高比强度和良好的抗腐蚀性能从而被广泛用作人体骨和牙齿等硬组织修复和替换材料。目前生物工程中应用的钛合金还存在许多不足，如含Al和V等有毒元素，弹性模量较高等。另外，与Q和a+B钛合金相比，9钛合金具有更低的弹性模量和良好的综合力学性能，所以近年来大量的工作集中在B钛合金的研究和开发上，而对无毒元素Ta和Zr对B钛合金组织和性能的影响规律研究较少。因此，在Ti一20Nb的基础上研究元素Ta和Zr对0钛合金组织和性能的影响，为生物钛合金的研发提供理论依据是十分必要的。在此基础上，开发了新的Ti-20Nb

2、-lO．5Ta-13Zr8钛合金，并研究了该合金的显微组织、弹性模量、强度、塑性、疲劳性能和生物学腐蚀性能，为该合金在生物工程实际应用提供了实验依据。Ta含量为8％～15．5％的Ti-20Nb-Ta系合金固溶处理后，在B相基体上生成长针状0”相，且随Ta含量的增加长针a”相长大。时效处理后，亚稳a”马氏体相分解成a+B相，且随着时效温度的增加a+B相长大。固溶与时效处理后，Ti一20Nb-Ta系合金强度较Ti-20Nb合金有所提高，同时合金塑性保持较高水平。合金的弹性模量随Ta含量的增加先增大后减小，然后再增大，在含TalO．5％

3、附近，F达到较低值，固溶后扫60GPa，时效后仁65GPa。当Ta含量超过13％时，占值增加明显。Zr含量为5％～17％的Ti-20Nb-10．5Ta—Zr系合金固溶处理后，合金的显微组织也由B+d”马氏体相组成。时效处理后，亚稳a”马氏体相在540℃以上完全分解，同时有细针状的a相析出。随着时效温度的升高，细针状a相长大，当温度达到600℃时，出现了大块的B相区域。Ti-20Nb-lO．5Ta-Zr系合金力学性能的变化对固溶处理和时效处理很敏感，不同zr含量的合金，弹性模量达到低值的时效温度不同。无论是固溶处理还是在合适温度下的

4、时效处理，当Zr含量为13％～17％时，合金的弹性模量都趋于稳定值，固溶处理后F值为65～65．5GPa，时效处理后F值为65．5～68GPa。Ti-20Nb一10．5Ta一13Zr合金具有较好的疲劳性能，其疲劳极限为320MPa。塑壁垒兰翌塑堕垄堕堕堕竺壅堡竺主!壅生兰竺堡兰一接近纯钛的抗拉强度(350MPa)。Ti一20Nb—10．5Ta—13Zr合金经生物学腐蚀实验后，试样表面未出现腐蚀痕迹。合金具有较好的抗蚀性，不会向人体体液中释放离子，而且该合金不会因产生腐蚀现象而导致力学性能下降。关键词：B钛合金；生物材料；生物工程；

5、弹性模量；力学性能；疲劳生物学抗腐蚀性能II—lABSTRACTABSTRACTTitaniumalloysofbioengineeringhavebeenwidelyused髂hardtissuerepairingandreplacingmaterials，suchasbodyskeletonsandteethetc，duetotheirhighstrength、highcontrast·strengthandexcellentcorrosionresistance．However，therearemanyshortagesin

6、titaniumalloysusedinbioengineering，toxicityofalloyingelementsuch鹊AIandV．andhighmoduliofelasticity．Otherwise，manyresearcheshavebeendoneontheinvestigationandexploitationoft3titaniumalloys，becauseoftheirlowmoduliofelasticityandupstandingintegratemechanicalproperties．comp

7、aringwithUandQ+13titaniumalloys．ButlittleinvestigationhasbeendoneabouttheeffectofelementsTaandZronmicrostmctureandmechanicalproperties．WeinvestigatetheeffectofelementTaandZr，basingonTi一20Nballoys，andofferthetheoreticfoundation，aimingattheseissues．Anew13titaniumalloy，T

8、i一20Nb一10．5Ta一13Zr，Wasdesignedforbioengineeringapplication．Microstmcture、moduliofelasticity、mechanicalpropertiesandcorrosion