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亚稳β型Ti-Nb-Zr合金由于具有较低弹性模量及良好生物相容性,是生物医用钛合金中的一个重要分支。Nb、Zr元素无毒性,可有效提高合金的组织相容性及力学相容性,是新型生物医用钛合金中的重要合金化元素,但是其含量的变化对合金的组织和性能影响的研究尚缺乏系统性。另外,在α型及α+β型钛合金中,间隙元素O和N是作用很强的α相稳定元素,但在亚稳β型生物医用钛合金中,O和N元素的相稳定性作用尚未明确。本论文研究了合金元素Nb和Zr含量的变化对亚稳β型Ti-Nb-Zr合金的组织及性能的影响,并系统研究了间隙元素O和N对Ti-Nb-Zr合金相稳定性以及组织和性能的变化的作用。
本论文研究了亚稳β型Ti-Nb-Zr三元合金(Nb:24～30 wt％,Zr:8～12 wt％)的组织和性能。通过对锻造态和固溶处理态合金的显微组织进行光学、XRD和TEM分析,系统地研究了Nb和Zr元素含量的变化对合金中α"、ω相的析出及β相稳定性的影响,发现随Nb和Zr元素含量的变化,可以获得具有β+ω、β+ω+α"、β+α"和单一β相的显微组织。通过分析相组成与合金元素含量变化的关系,可以总结出:在Ti-Nb-Zr三元合金中,Nb和Zr均为β相稳定元素,Nb、Zr含量增加对α"马氏体相及ω相的形成均起到抑制作用,Ti-Nb-Zr合金具有比相同Nb含量的二元Ti-Nb合金更高的β相稳定性。根据室温拉伸实验结果,Ti-(24-30)Nb-(8-12)Zr合金的应力-应变曲线上都存在明显的双屈服阶段,说明合金在拉伸过程中均有应力诱发马氏体(MT)产生。Nb、Zr元素含量进一步增加使合金β相稳定性提高,应力诱发马氏体产生的临界应力也增大。非线性弹性在较宽的Nb、Zr成分范围内均存在,这可能与亚稳β型合金中β相的稳定性及其晶格常数有关。合金元素含量变化和固溶处理对合金的性能影响较大:组织中含有ω相的合金具有较高弹性模量及抗拉强度,单β相组织的合金固溶处理后,强度下降,但弹性模量变化不大,维持在较低水平。Ti-30Nb-12Zr合金的弹性模量较低(～65GPa),强度虽较低(～550MPa),但强度/弹性模量值较高。
本论文研究了间隙元素O、N含量变化对亚稳β型Ti-30Nb-12Zr合金的组织及性能影响。结果表明,O元素抑制α"及ω相的产生,起到β相稳定元素的作用,在所研究的成分范围内,O的α相稳定作用不明显。合金中N含量的增加对合金组织的影响较为复杂:一方面抑制α"、ω相析出,另一方面促使α相析出。拉伸实验结果表明,O、N含量增加,有利于提高合金的弹性极限并使合金弹性变形的非线性程度增加,这与其对应力诱发马氏体产生的抑制作用有关。具有(β+ω)组织的GumMetal、单β及(β+α)组织的T2448合金,以及本论文研究的(β+α"+ω)及(β+α+α"+ω)组织的Ti-30Nb-12Zr合金,均存在非线性弹性特征,说明非线性弹性不受合金组织类型的影响,与合金的电子浓度(e/α)值也没有内在的必然联系。在很多前人研究的合金中,这种弹性变形行为可能会由于特征不明显而被忽视。在开发具有良好综合性能的生物医用钛合金方面,间隙元素将发挥重要作用。