● 摘要
由无细胞毒性元素组成的β型钛合金凭借其优良的生物相容性、良好的耐腐蚀性和低模量等特性已经成为生物医用植入材料的研究热点。然而，现行研制的生物医用β型钛合金的弹性模量大约在45~85GPa之间，仍明显高于人骨的弹性模量（10~30GPa），无法从根本上解决植入材料与人骨弹性模量不匹配引起的“应力屏蔽”问题。本文采用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、同步辐射（Synchrotron X-ray diffraction）、动态机械分析（DMA）和力学性能测试（Tensile test）等手段系统地研究了热机械处理对新型Ti-Nb-Mo-Sn、Ti-Nb-Sn和Ti-Nb合金相变和力学行为的影响，并制备出了超低弹性模量和高强度兼备的新型生物医用β型钛合金。论文的主要研究结果如下：Nb和Mo均能够有效地提高Ti-Nb-Mo-Sn合金的β相稳定性，抑制固溶淬火过程中β→α"马氏体相变的发生，并阻碍时效过程中α相的析出。低β稳定性的Ti-25Nb-2Mo-4Sn（以下简称Ti-2524）合金经800℃固溶1h淬火后，由于合金中β稳定化元素（Nb和Mo）含量不足，高温β相并没有完全保留至室温，合金中生成了大量的α"马氏体。Ti-2524合金经冷轧处理后合金中引入了大量的位错，同时合金中的β相和α"马氏体得到了明显细化。冷轧态Ti-2524合金拉伸过程中的“非线弹性”变形主要归因于应力诱发马氏体相变。固溶态和冷轧态Ti-2524合金经400℃时效2h后，合金的相组成分别为（β+等温ω）和（β+α）相。这主要归因于Ti-2524合金冷轧变形引入的大量位错和晶界有效地抑制了时效过程中ω相的形成，却促进了细小α相的析出。冷轧态Ti-2524合金经475℃时效15min后屈服强度和拉伸强度分别为1033MPa和1113MPa，弹性模量约65GPa，处于较低的水平。为了进一步降低弹性模量，我们制备了不含强化元素Mo的Ti-33Nb-4Sn合金。由于Ti-33Nb-4Sn合金中β稳定化元素含量不足，合金固溶淬火后生成了大量的α"马氏体。Ti-33Nb-4Sn合金经冷轧和425℃短时时效30min后，合金中α"马氏体相消失，晶粒得到了明显的细化，细小的β基体上分布着大量的位错和纳米尺度的α强化相，纳米尺度的α相与位错的交互作用强化了合金。固溶态和冷轧短时时效态Ti-33Nb-4Sn合金的动态弹性模量均随着温度的降低呈现先降低后升高的趋势，并分别在各自的马氏体相变开始温度处呈现最小值。由于高密度位错和晶界对马氏体相变的迟滞作用，短时时效态样品能够在室温（25℃）呈现极低的动态弹性模量，仅38 GPa。拉伸试验结果表明，冷轧短时时效态Ti-33Nb-4Sn合金的拉伸弹性模量仅为36GPa（与人骨约30GPa的弹性模量近似相当），屈服强度和拉伸强度分别为763MPa和855MPa，实现了超低弹性模量和高强度的良好匹配。基于上述实验结果，我们对低弹模和高强度兼备的β型钛合金提出如下设计准则：适度降低钛合金中β稳定化元素的含量，然后对合金辅以冷轧和短时时效处理，利用冷轧和短时时效处理引入的大量位错和晶界迟滞马氏体相变的发生，将低β稳定元素含量的低稳定性β相稳定至室温，能够实现低弹模甚至超低弹模钛合金的设计。同时，利用冷轧和短时时效处理后合金中析出的细小α强化相对位错运动的阻碍作用，能够实现对合金的有效强化。利用该设计原则，我们在二元Ti-Nb体系中成功地实现了低弹模和高强度兼备的新型β钛合金的制备。然而，与冷轧短时时效态的Ti-33Nb-4Sn合金相比， Ti-38Nb合金的弹性模量（56GPa）明显偏高。这主要归因于Ti-38Nb合金中缺少了能够有效抑制ω相的Sn元素，冷轧短时时效处理后Ti-38Nb合金中生成了高模量的亚稳ω相。