医用钛基形状记忆合金的设计及其组织与性能研究

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1、摘要形状记忆合金具有形状记忆效应(SME)和超弹性效应(SE)等特性，在医学上应用广泛。目前在医学上使用的形状记忆合金主要是Ti-Ni合金，然而，最近的研究结果表明，Ni是一种有毒的元素，过量的Ni元素在人体内会引起过敏、发炎甚至癌症。因此，开发新一代具有优良生物相容性和形状记忆效应的无镍钛基形状记忆合金成为当前医用钛合金研究领域的一个研究热点。Mo、Nb、Ta、Zr和Sn等元素不但具有良好的生物相容性，而且具有改善钛合金的热加工性能、力学性能等方面的优点。当Nb和Mo含量在一定范围内时，Ti-Nb和Ti-Mo系合金可表现出一定的形状记忆效应和超弹性效应。本文以d－电子轨道理

2、论为指导，以实验结果为基础，通过在钛中添加Nb、Mo和Sn等具有生物相容性的合金元素，开发了两种Ti-Nb-Mo-Sn四元系形状记忆合金，并用X射线衍射(XRD)和光学显微镜对合金的显微组织进行了表征；采用循环加载－卸载拉伸实验等方法对这两种合金的形状记忆效应进行了评估；研究了Mo含量和热处理工艺等对合金的形状记忆能力及其稳定性的影响，并探讨了合金的形状记忆效应的形成机理，以及成分与组织对合金形状记忆效应的影响。研究结果表明，Mo含量对Ti-7.5Nb-1Sn-xMo(at.%,x=1-6)合金相组成有强烈的影响。随着Mo含量的增加，合金的显微组织依次由a"马氏体单相，a"＋

3、b双相和单相b相组成；同时，Mo含量对该合金系的力学性能也有显著影响，当Mo含量为5at.％时，合金具有较小的杨氏模量(78GPa)、较高的强度和良好的延伸率，而当Mo含量为3at.%和4at.%时，该合金系则表现出形状记忆效应；该合金系的形状记忆行为对Mo含量也非常敏感，Mo含量为4at.%的合金的形状记忆效果优于3at.%Mo的合金，但后者表现出较明显的超弹性。时效处理对4at.%Mo的合金的形状记忆性能有较大的影响，在600℃时效后，该合金表现出最佳的形状记忆效果，而在500℃下时效，该合金的形状记忆效果有大幅度的下降。关键词：医用钛合金；形状记忆效应；超弹性；马氏体相

4、变；时效AbstractShapememoryalloys(SMA)haveawidemedicalapplicationduetotheirshapememoryeffect(SME)andtheirsuperelasticity(SE).Amongmanyshapememoryalloys,onlyTi-Nishapememoryalloyshavebeenwidelyappliedforbiomedicalusestodate.However,ithasbeenpointedoutthatpureNiisatoxicelement，andexcessivenickelr

5、esultsinallergic,inflammationandevencarcinogenicity.Therefore,developingnewgenerationofTi-basedSMAwiththecombinationofgoodbiocompatibilityandgoodSMEisahotresearchtopicinthefieldofTialloysforthemedicalusage.AlloyingelementsMo,Nb,Ta,ZrandSnwereprovedexcellentadditiveswithsuperiorbiocompatibil

6、ity.ThealloyscontainingTa,Mo,Nb,ZrandSncanenhancestrengthandimprovetheplasticityandthehotworkingpropertiesofalloys.What’smore,theshapememoryeffectandsuperelasticbehaviorhavebeenreportedinTi-NbandTi-MoalloysbyadjustingMoandNbcontent.Inthisthesis,usingthed-electronsconceptandtheexperimentalre

7、sults,twoTi-basedalloyswiththeshapememoryeffectweredevelopedbyaddingthebiocompatibleelementsofNb,MoandSn.TheinfluenceoftheMocontentandtheheattreatmentonthemicrostructureandtheshapememorybehaviorofthetwoalloyswerediscussedbasedontheexperimentalmeasurement