第一性原理计算生物医用β钛合金的弹性性质与稳定性

β钛合金具备低杨氏模量特性，在外科手术中可有效降低人体骨骼与金属假体的应力屏蔽问题。基于第一性原理密度泛函理论计算了β钛合金Ti-Nb-Ta体系的弹性性质与稳定性。计算结果表明，随着Ta元素含量的增加，结合能与生成能逐渐降低，总态密度(DOS)费米能级附近峰值总能量逐渐降低，表明体系的稳定性逐渐提升。杨氏模量与剪切模量趋势大体一致，当Ta元素浓度为25%时，杨氏模量达到最低27.23GPa,剪切模量达到最低9.28GPa;当Ta元素浓度为12.5%时，杨氏模量达到最高58.89GPa,剪切模量达到最高20.71GPa。Ta元素对体系各向异性有重大影响，Ti-25Nb-6.25Ta体系在<100>,<010>,<001>晶向杨氏模量最高，<111>晶向杨氏模量最低；Ti-25Nb-12.5Ta, Ti-25Nb-18.75Ta, Ti-25Nb-25Ta, Ti-25Nb-31.25Ta体系在<100>,<010>,<001>晶向杨氏模量最低，<111>晶向杨氏模量最高。     

加工工艺对Ti-21Nb-7Mo-6Sn合金组织和性能的影响

基于d电子理论设计了成分为Ti-21Nb-7Mo-6Sn的亚稳态β钛合金,采用偏光显微镜、X射线衍射仪和透射电子显微镜等设备,研究了Ti-21Nb-7Mo-6Sn合金在冷轧和退火过程中显微组织的演变。结果表明:冷轧产生大量位错和晶界,组织由β相转变为α"相;在退火过程中,α"相转变为β相,再结晶优先在板条马氏体区形成;随退火温度的升高,Ti-21Nb-7Mo-6Sn合金的弹性模量先降低后升高,弹性回复率则与之相反;923 K退火10 min后,获得了最低的弹性模量(53 GPa)和最高的弹性回复率(69.84%)。     

元素和相组成对β钛合金耐腐蚀性的影响

采用X射线衍射仪和光学显微镜分析了钛合金Ti-22Nb、Ti-22Nb-2Cr、Ti-22Nb-2Fe和Ti-16Nb-2Fe的相组成。以0.9 %NaCl水溶液为电解液,采用电化学工作站进行电化学腐蚀试验,研究了钛合金的电极电势和电化学阻抗谱的演变规律,进而评价了元素和相组成对钛合金耐腐蚀性的影响。结果表明：Cr元素和Fe元素的添加可以提高Ti-Nb合金的β相稳定性。固溶时效处理后的Ti-16Nb-2Fe合金中析出了等温ω相。具有单一β相的钛合金显示出了良好的耐腐蚀性,Cr元素或Fe元素的添加使其耐腐蚀性得到改善。α"相和ω相会破坏钛合金表面的钝化膜,导致其耐腐蚀性变差。     

Ti-22Nb-6Zr合金的耐蚀性和超弹性研究

采用电化学方法研究固溶处理后Ti-22Nb-6Zr形状记忆合金在0.9%NaC l溶液中的腐蚀行为,研究固溶处理温度对合金耐蚀性的影响;用拉伸法测定900℃固溶处理后合金的超弹性和形状记忆效应.结果表明:固溶处理后Ti-22Nb-6Zr合金的室温组织为单一的β相,晶粒尺寸随固溶处理温度升高而增大.合金的腐蚀电流随着固溶处理温度的升高而降低.耐蚀性逐渐提高.900℃固溶处理后的合金在室温下拉伸变形,应变为5%时,总的最大回复应变达4.12%,其中超弹性回复应变为3.91%,记忆回复应变为0.21%.     

Ti-Nb-Fe-Sn合金显微组织和力学性能的研究

研究了Ti-(22, 24, 26, 28)Nb-2Fe-4Sn合金的显微组织和力学性能。使用真空非自耗电弧熔炼炉制备合金铸锭,均匀化处理后对合金铸锭进行冷轧和固溶处理。使用X射线衍射仪和光学显微镜对其物相和微观组织进行分析。通过拉伸试验测定了合金的力学性能,使用扫描电子显微镜观察了拉伸样品断口形貌。结果表明,Ti-(22, 24, 26, 28)Nb-2Fe-4Sn合金具有单一β相。Nb的加入使合金的β相稳定性提高,合金的变形机制由孪晶变形转变为位错滑移变形,孪晶诱导塑性变形使得合金具有较高的伸长率。所有合金拉伸断口呈韧性断裂特征。Ti-26Nb-2Fe-4Sn合金的弹性模量为59 GPa,伸长率为19%,抗拉强度为621 MPa,具有良好的生物医学应用前景。     

氧含量对Ti-35Nb-3.7Zr-1.3Mo-xO合金组织与力学性能的影响

根据d电子设计理论设计了新型亚稳β合金Ti-35Nb-3.7Zr-1.3Mo-x O,研究了氧含量对该合金组织与力学性能的影响.实验结果表明,合金经固溶后主要为β相,其晶粒尺寸随氧含量提高而细化.低氧合金中存在少量α″相,氧元素对水淬α″相的形成具有抑制作用.冷轧后组织仍主要为β相,但因大变形后缺陷增多而结晶度降低.不同氧含量的合金冷轧后分别出现细针α″相、板条状ω相、锯齿孪晶以及应力诱发α″相等特殊组织.冷轧态Ti-35Nb-3.7Zr-1.3Mo-x O合金的抗拉强度、弹性模量和硬度均随氧含量的提高而升高,但塑性变差.氧含量升高0.1%,则抗拉强度增加约100 MPa;氧含量升高0.3%,则维氏硬度升高约为50;弹性模量处于45~75 GPa之间.在氧含量超过0.6%以后,合金塑性明显变差.     

Ti-18Nb-10Zr-(2, 4, 6)Cr合金显微组织和力学性能的研究

不含有毒元素的β钛合金,具有较低的弹性模量和良好的生物相容性等特点,成为近年来研究的热点。采用电弧熔炼制备Ti-18Nb-10Zr-(2, 4, 6)Cr钛合金,均匀化处理后在室温冷轧,随后在800 ℃固溶1 h后淬火。采用光学显微组织（optical microstructure, OM）和X射线衍射仪（X-ray diffractometer, XRD）分析合金显微组织与物相组成,采用维氏硬度计测试合金硬度,采用万能材料试验机进行拉伸测试。结果表明：合金固溶后均显示为单一β相。随着Cr含量的增加,合金的抗拉强度从690 MPa增加到776 MPa,维氏硬度从186增加到235。Ti-18Nb-10Zr-4Cr合金具有较高的强度（699 MPa）、较低的弹性模量（74 GPa）、良好的塑性（19%）和耐磨性,具有良好的生物应用前景。     

钽涂层对Ti-6Al-4V合金抗腐蚀性能的影响

摘要：目的 在模拟体液环境中,研究钽（Ta）涂层对Ti-6Al-4V合金抗腐蚀性能的影响。方法 对Ti-6Al-4V合金试样采用等离子喷涂技术在其表面形成一层500μm厚的钽涂层。通过模拟体液环境下电化学测量法对比涂层前后的试样抗腐蚀性能的强弱。结果 塔菲尔极化曲线图形显示,Ti-6Al-4V合金经钽涂层处理后表现出阳极和阴极极化曲线低平,自腐蚀电位向正方向移动,钝化区间变长,而维钝电流降低。结论 Ti-6Al-4V合金表面涂覆钽涂层的表面改性处理能有效提高基体金属的抗腐蚀性能,为解决人工关节无菌性松动及Ti-6Al-4V合金关节假体的优化提供了发展方向。     

Ti_(30)Nb_5Ta_6Zr合金的组织和力学性能研究

根据β稳定化系数kβ和d-电子理论,采用无细胞毒性合金元素Nb、Ta、Zr,设计了具有低弹性模量的新型牙科种植用近β型Ti30Nb5Ta6Zr合金,研究了合金经不同温度固溶和时效处理后的显微组织和力学性能.结果表明,合金固溶后在低温时效时析出ω相导致合金脆性.随时效温度升高,析出相由ω逐步变为α并发生粗化,使合金强度降低,但塑性得到改善.固溶温度过低（700℃）,时效后强度较低 固溶温度过高（850℃）,导致合金出现β脆性.合金在750℃固溶和500℃时效12h后强韧性好,弹性模量低于现有Ti29Nb13Ta4.6Zr合金,综合力学性能可满足牙科种植合金的要求.     

粉末冶金法合成高强低模超细晶医用钛合金

为探寻有效的高强低模医用钛合金制备方法,采用机械合金化方法制备了不同Fe含量的(Ti69.7Nb23.7Zr4.9Ta1.7)100-xFex非晶/纳米晶合金粉末,随后采用放电等离子烧结-非晶晶化法得到了高强低模的超细晶钛基复合材料.结果表明:(1)机械合金化过程中,Fe含量对合金的非晶形成能力影响显著,文中实验条件下,只有当x增大至10时才能形成全非晶相的非晶粉末;(2)Fe含量也明显影响合成的块体钛合金的力学性能,合成的不同Fe含量合金中,只有(Ti69.7Nb23.7Zr4.9Ta1.7)94Fe6合金具有高强度和显著塑性,其压缩屈服强度为2425MPa,断裂强度为2650MPa,断裂应变为0.0691,平均弹性模量仅为52GPa,接近第三代生物医用钛合金的最低值.将所合成的超细晶钛合金与常用的两种生物钛合金(Ti-6Al-4V和Ti-13Nb-13Zr)进行抗摩擦磨损性能对比,发现所合成的钛合金具有最佳的耐磨性.     

TiAl合金高温拉伸流变应力与Zener-Hollomon因子的关系函数

:把温度T和应变速率ε·对Ti-47Al-2Mn-2Nb(TiAlMnNb)和Ti-47Al-2Mn-2Nb-0.8TiB2(TiAlMnNbB)合金在1073～1373K和10-5～10-1s-1条件范围内拉伸应力的影响归结为Zener-Hollomon因子Z=ε·exp(Q/RT)的影响,利用Sellars和Tegart提出的双曲函数,确定两种合金拉伸形变应力峰值σP与Z因子之间的关系函数;得到的σP解析表达式中A、α和n值分别为2.308×108s-1、8.50×10-9Pa-1和2.594(TiAlMnNb),1.423×1010s-1、6.275×10-9Pa-1和2.980(TiAlMnNbB);Z因子中的激活能Q值分别为322.3kJ/mol和351.6kJ/mol,提示两种合金高温拉伸形变受微观原子扩散过程控制     

Effect of trace Zn, P and Mg additions on microstructure and mechanical properties of Nb-Si-Ti alloys

The effects of Zn,P and Mg additions on the microstructure and mechanical properties of Nb-22Ti-3Si alloys were studied. The phases of Nbss and Nb_3Si presented in Nb-22Ti-3Si(AC1),Nb-22Ti-3Si-0.2Zn(AC2) and Nb-22Ti-3Si-0.2Mg alloys(AC3). The Nb-22Ti-3Si-0.2P(AC4) alloy consisted of Nbss,Nb_3Si network and eutectic cell of Nbss/α-Nb_5Si_3.By the addition of Zn,the Nb_3Si network was broken and the volume fraction of Nbss increased from 92%to 96%.The values of fracture toughness of the alloy AC2 at ambien...     

铸造高铌TiAl合金双态组织转变过程

通过对Ti-46Al-8Nb-2Mn-0.2B合金的铸态组织和经过a γ双相区热处理后的组织进行光学和扫描电镜进行观察,发现原始铸态组织的γ相偏析处不是片层的晶界,而是片层穿越的区域.由于γ相偏析区域的Al含量比片层基体高,因此阻碍了后续回火过程中该偏析部位片层的分解.通过先得到近γ组织,然后经过a γ双相区保温,最终得到晶粒为40μm的双态组织;但组织中有少量的β相没有得到消除.     

Ti-Nb合金在冷变形中的微观组织和力学性能研究

研究采用钨极电弧炉熔炼Ti-35Nb-2Ta-3Zr β钛合金,采用偏光显微镜、X射线衍射仪和透射电子显微镜等试验设备,分析不同拉伸变形率下合金的微观组织结构和相转变规律.运用双辊轧机制备不同冷变形率下的合金,并进行室温拉伸等力学试验.试验结果表明：随着拉伸变形率的增加,合金会发生β→α″相转变,且合金中α″马氏体逐渐增多,增多到一定程度后保持稳定,α″马氏体的微观形貌由针状转变为粗大的片体;经过冷变形加工后,合金表现出良好的强度和塑性.     

Ti-44Al-5V-1Cr-0.3Ni-0.1Hf-0.15Gd 合金的微观组织和拉伸性能

针对变形量达86%的锻造Ti-44Al-5V-1Cr-0.3Ni-0.1Hf-0.15Gd(原子分数,%)合金,对其进行热处理获得近层片组织,研究变形合金及其近层片组织的微观组织特征,并进行了室温、700℃和800℃拉伸实验.组织观察发现,近层片组织由层片团、分布于层片团界的β相以及弥散分布于基体的椭圆状Gd析出物组成.层片团的平均尺寸为40μm,层片组织、β相和Gd析出物的体积分数分别为93.73%、5.25%和1.02%.拉伸结果显示,室温下合金试样的平均抗拉强度为865MPa,平均延伸率可达4.17%,700℃时其平均抗拉强度和延伸率分别为643MPa和22%.Ti-44Al-5V-1Cr-0.3Ni-0.1Hf-0.15Gd合金不仅具有与高β相TiAl合金相当的塑性变形能力,且室温塑性也得到显著提高,这主要归因于β相体积分数的下降和Gd化合物对微观组织室温塑性的贡献.     

注射成形Ti-6Al-4V合金的显微组织和力学性能

采用金属注射成形方法制备Ti-6Al-4V合金坯体,然后利用溶剂脱脂和热脱脂工艺脱除坯中粘结剂,研究了合金在真空烧结和热等静压烧结条件下的显微组织和力学性能.结果表明:真空烧结Ti-6Al-4V合金具有典型的魏氏体组织,其初始的β晶粒粗大,β晶粒内为次生片状α和薄β相片,空隙较多,合金的强度和塑性较低;合金经热等静压处理后,组织明显细化且均匀,空隙很少或几乎没有,从而强度和塑性都有所提高.     

硼添加对高Nb-TiAl合金显微组织的影响

目的 分析硼添加对高Nb-TiAl合金显微组织的影响规律,以期为高Nb-TiAl合金的大规模实际应用提供理论基础。方法 合金成分为Ti-46Al-8Nb-xB(x=0,1.4%),采用真空非自耗电弧熔炼炉进行熔炼,之后分别运用XRD, SEM和TEM对合金的相组成、显微组织以及片层结构进行分析。结果 B元素的加入使得Ti-46Al-8Nb合金中的α₂和γ相的相对含量发生变化。同时发现新相的生成。此外,合金的晶粒尺寸以及合金的片层结构均显著的减小。结论 加入1.4%B后在合金中产生的二次相为TiB相,固溶B元素及二次相使得合金显著细化,对合金的力学性能有明显的改善作用。     

烧结温度对Ti-15Nb-25Zr-2Fe合金组织与力学性能的影响

采用放电等离子烧结技术制备Ti-15Nb-25Zr-2Fe钛合金,研究了烧结温度（800,1 000和1 200 ℃）对合金致密度、相组成、显微组织及力学性能的影响。结果表明：合金的致密度随烧结温度的升高逐渐升高。800 ℃烧结的样品主要由β相、α"相、α相和单质Zr组成。1 000 ℃和1200 ℃烧结的样品主要由β相和α"相组成,α"相含量随烧结温度的升高逐渐降低。三种温度烧结的样品中均观察到未固溶的Nb,其含量随烧结温度的升高逐渐降低。随着烧结温度的升高,合金的抗压强度逐渐升高,塑性先升高后降低。     

多孔Ti-45Nb合金的微观组织与力学性能研究

新型多孔Ti-Nb合金因为具有良好的生物相容性,在硬组织植入材料领域中受到关注。本文利用纯Ti和Nb粉采用粉末烧结法制备多孔Ti-45Nb合金。通过造孔剂NH4HCO3调控多孔钛合金的孔隙度、孔隙尺寸、孔隙形貌、弹性模量和抗压强度。研究结果表明:随着造孔剂含量的增加,多孔Ti-45Nb合金的孔隙度和孔隙尺寸增大,孔隙连通性增加;弹性模量和抗压强度减小。多孔Ti-45Nb合金的孔隙特性和力学性能满足硬组织植入材料的基本要求。     

大晶粒TiAl基合金的超塑性变形行为

研究了大晶粒Ti-47％Al-2％Mn-2％Nb-1％B合金的高温变形行为.该合金具有近等轴γ组织,其间均匀分布着少量极细的α2相.测试在空气中进行,试样用釉涂覆加以保护,温度为1025～1100℃,初始应变速率范围为(0.04～1.28)×10