● 摘要
临床上作为外科植入用的金属生物材料中，钛合金由于具有优良的生物相容性和优异的机械性能以及在体液环境中的耐腐蚀性而获得了广泛应用。传统的生物医用钛合金，如Ti-6Al-4V由于弹性模量与人骨相比过高，会导致种植体与骨之间由于弹性模量的不匹配而引起“应力屏蔽”现象，从而使种植体周围出现骨吸收，引起种植体松动或断裂，最终造成种植失败。因此发展具有较低弹性模量的新型生物医用钛合金就成为该领域当前研究的热点。本文在Ti70Zr30二元合金的基础上，添加Fe、Sn、Nb等合金化元素，通过真空电弧熔炼制备出Ti69-xZr30Fe1Snx（x=2、4、6、8），Ti69-xZr30Fe1Nbx（x=2、6、10），和Ti60-xZr30Nb10Snx（x=3、6）三种低弹性模量的合金。通过光学显微组织观察、X射线衍射分析、透射电镜和力学性能测试，系统研究了微观组织结构，强度、塑性和弹性模量等力学性能，以及轧制和热处理的影响规律，通过阳极极化曲线的测试研究了合金在生理盐水环境中的腐蚀情况。结果表明： TiZrFeSn系铸态合金微观组织为单一相。冷轧及热处理后，合金的相没有发生变化。随着Sn含量的增加，该系列铸态合金的强度增加，而塑性降低。Ti67Zr30Fe1Sn2合金冷轧后经过600℃热处理具有较低的弹性模量，为50GPa。该系列铸态合金在腐蚀液中出现稳定的钝化区或过钝化区，耐蚀性能良好。TiZrFeNb系铸态合金随着Nb含量的增加，相组成也发生改变。当Nb含量为2%时，合金以”相为主；Nb含量增加到6%时，合金以相为主，Nb含量增加到10%时，合金变为单一相。随Nb含量的增加，合金的强度和弹性模量先降低后增加，而塑性变化不大。Ti67Zr30Fe1Nb2合金冷轧后经过700℃热处理获得该系列合金的最低弹性模量，为30GPa。铸态合金在腐蚀液中出现稳定的钝化区或过钝化区，耐蚀性能良好，Nb含量的变化对铸态合金的耐腐蚀性能影响不大。TiZrNbSn系铸态合金均为单一相。冷轧后合金相组成没有改变，热处理后合金有新相析出。Ti57Zr30Nb10Sn3经过固溶处理后，为正交马氏体”相。而Ti54Zr30Nb10Sn6合金除了析出”相外，还有相产生。Ti57Zr30Nb10Sn3合金600℃热处理态的的弹性模量较低，为36GPa。铸态合金在腐蚀液中出现稳定的钝化区或过钝化区，耐蚀性能良好，Sn含量的变化对铸态合金的耐腐蚀性能影响不大。本文研究的这些新型低弹性模量的合金都与人骨弹模（10~30GPa）比较接近，力学性能良好，冷加工性能优异，合金的耐蚀性能也十分优秀，非常有潜力开发成为新型的生物医用材料。