新型医用Ti-35Nb-4Sn-6Mo-9Zr和Ti-35Nb-1.3Mo-3.7Zr合金在林格溶液中的电化学腐蚀行为

采用开路电位、动电位极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)测量方法研究了新型医用钛合金Ti-35Nb-4Sn-6Mo-9Zr和Ti-35Nb-1.3Mo-3.7Zr在林格溶液中的电化学腐蚀行为,计算了2种合金在林格溶液中的腐蚀电位(φcorr)、腐蚀电流(Icorr)及钝化电流(Ipass),并根据EIS曲线建立了等效电路进行参数分析,同时与Ti-6A1-4V(TC4)合金进行比较。结果表明:Ti-35Nb-4Sn-6Mo-9Zr、Ti-35Nb-1.3Mo-3.7Zr和TC4合金的Icorr和Ipass依次增大,而φcorr依次减小。EIS结果分析显示,3种合金在林格溶液中均可形成致密内层和疏松外层的双层钝化膜,其中致密内层钝化膜对合金表面的保护起主要作用。3种合金的致密内层的阻挡作用按TC4、Ti-35Nb-1.3Mo-3.7Zr和Ti-35Nb-4Sn-6Mo-9Zr的顺序递增。     

基于d电子合金设计方法的生物医用新型亚稳β钛合金的设计及性能研究

依据d电子合金设计方法,采用无细胞毒性的合金元素Nb和Zr,从理论上设计了一种具有较低弹性模量的生物医用新型亚稳β钛合金Ti-35Nb-10Zr,并研究了该合金铸锭的基本力学性能.结果表明:该合金的弹性模量值低于传统的用于体内植入的Ti-6Al-4V合金,有望成为一种比较有前途的新型体内植入材料.     

加工热处理对生物用Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金疲劳性能的影响

Ti-29Nb-13Ta-4．6Zr(TNTZ)具有良好的生物亲和性，其杨氏模量低，抗拉强度可在加工热处理条件下于600MPa～1200MPa范围内选择。因此，该合金和Ti-35Nb-7Zr-5Ta，以及Ti-15Mo等口钛合金已成为目前主要研究开发的生物用钛合金。     

生体医用合金的开发

生体医用Ti-30Nb-10Ta-XZr合金Ti-29％Nb-13％Ta-4．6％Zr和Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金（均为质量百分数）简称Ti—Nb—Ta—Zr系合金，具有优良的生体相容性和低的弹性模量。前一合金的力学性能和作为骨折修复材料使用时骨质再生性和细胞毒性等生体相容性，都比传统生体用钛合金优越。此次则研究了含有不同Zr添加量的Ti-30Nb-10Ta—XZr合金的显微组织和力学性能，研究用的合金是利用粉末冶金法制备的Ti-29Nb-13Ta—XZr合金，分别制备了无Zr的和添加3％、7％和10％Zr的合金（分别简称OZr、3Zr、7Zr和10Zr合金）。     

Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金的磨损特性

利用环块式腐蚀磨损试验机研究了Ti-29Nb-13Ta-4.6Zrβ型医用钛合金的磨损特性,并与传统医用钛合金Ti-6Al-4V进行了比较.研究表明在空气中干磨,Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金及Ti-6Al-4V合金的抗磨能力主要取决于合金的硬度及抗拉强度等力学性能;在0.9%NaCl溶液中磨损,Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金抗腐蚀磨损能力低于Ti-6Al-4V.Nb含量的提高可以增强Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金的抗腐蚀磨损能力.     

硼对医用Ti-22Nb-6Zr记忆合金的显微组织及性能的影响

研究在Ti-22Nb-6Zr(at%)合金中添加不同含量(质量分数)(0.02%~1.5%)的硼元素,通过粉末烧结法成功制备了性能优良的含硼Ti-22Nb-6Zr记忆合金。结合OM、XRD、SEM分析发现,随着硼元素含量的增加,合金的β相基体中逐渐析出α相和Ti B相,晶粒得到明显细化。通过压缩力学性能测试,发现硼元素对Ti-22Nb-6Zr合金的弹性模量和超弹性影响不大,但硼含量对其屈服强度和抗压强度有显著影响,当硼含量为0.02%~0.1%和1%时,合金展现出较高的抗压强度(1450 MPa以上)和屈服强度(1250 MPa以上)。通过电化学测试,发现当硼含量在0.02%~1%时,合金具有较好的耐腐蚀性,腐蚀电流密度保持在10-6 A·cm~(-2)以内。综合考虑合金的显微组织、力学性能与抗腐蚀性能,得出Ti-22Nb-6Zr记忆合金中适宜的硼添加量为0.02%~0.1%和1%。     

Se对Ti-10Mo-6Zr合金组织与性能的影响

采用WS-4型非自耗真空电弧炉熔炼制备了Ti-10Mo-6Zr-x Se(x=0,2,3,4wt%)合金系,并利用X射线衍射、金相显微镜、扫描电镜和能谱等手段研究了元素Se对其组织、物相和力学性能的影响。结果表明:该系列合金在加入元素Se后的晶粒显著细化,并且随Se含量增加,合金的晶粒尺寸呈减小趋势,由200μm左右减小到约20μm;元素Se加入后形成第二相,第二相以Zr-Se富集相的形式分布于晶界;在4%含量的Se加入后,Ti-10Mo-6Zr合金的室温抗压强度从1380MPa提高到1590MPa,屈服强度从1042MPa提高到1424MPa,同时压缩变形由12.1%降低至10.1%,降低幅度不大。     

孔隙尺寸对Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆多孔合金超弹性能的影响

研究了孔隙尺寸对Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆多孔合金微观组织、力学性能及超弹性能的影响。结果表明,不同孔隙尺寸的Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn多孔合金均由大部分β相组成,并含有少量α和α"马氏体相。随着造孔剂尺寸的增大,多孔合金孔隙尺寸逐渐增大。孔隙尺寸的增加使合金的弹性模量、屈服强度和压缩强度逐渐下降。不同孔隙尺寸的Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn多孔合金均具备超弹性能,但孔隙尺寸的增加会使合金超弹性能下降。     

低弹性模量Ti-33Nb-4Sn,Ti-31Nb-3Zr-4Sn钛合金在模拟人工体液中的腐蚀行为研究

采用纳米压痕仪研究了Ti-33Nb-4Sn和Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金的力学性能。采用动电位极化曲线、电化学阻抗谱研究了新型医用钛合金Ti-33Nb-4Sn、Ti-31Nb-3Zr-4Sn和对比合金Ti-6Al-4V在模拟人体体液中电化学腐蚀行为,并根据扫描电镜和X射线衍射仪对极化测试后的试样表面形貌和相结构进行观察。结果表明,Ti-33Nb-4Sn和Ti-31Nb-3Zr-4Sn合金具有较低的弹性模量;3种合金的腐蚀电流密度按Ti-6Al-4V、Ti-31Nb-3Zr-4Sn和Ti-33Nb-4Sn的顺序递增。     

基于硬组织置换应用的Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆多孔合金制备工艺研究

基于硬组织置换材料应用目的,开发了具有形状记忆性能的新一代生物医用Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn合金。实验基于粉末冶金工艺,以碳酸氢氨为造孔剂制备了Ti-7.5Nb-4Mo-2.5Sn形状记忆多孔合金。同时对该多孔合金微观组织结构、孔隙度和孔径分布进行了研究,实验结果对医用多孔材料的研发作出了有益探索。     

轧制工艺对AZ31B镁合金薄板组织与性能的影响

研究了轧制温度和轧制速度对AZ31B镁合金薄板微观组织演变和力学性能的影响。结果表明,轧辊加热有利于镁合金薄板成型;AZ31B镁合金在低温或低速轧制时薄板纵向组织为大量的切变带,切变带区域包含大量孪晶组织,横向组织为含极少量孪晶的等轴晶组织;在轧制温度为400℃和轧制速度为16m/min轧制时,由于动态再结晶,横纵截面组织均为等轴晶。AZ31镁合金薄板的最佳轧制制度为轧辊温度为70℃、轧制温度为400℃、轧制速度为6m/min,此工艺轧制的薄板横向抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为350MPa、300MPa和12%,纵向为345MPa、290MPa和11.2%,纵向与横向性能差别明显减小。     

Ho对铸态Mg-5Y-3Sm-0.5Zr合金显微组织和力学性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、电子拉伸实验机、布氏硬度计等研究了铸态Mg-5Y-3Sm-xHo-0.5Zr(x=0,2,4,6)合金的组织和力学性能。结果表明:铸态Mg-5Y-3Sm-0.5Zr合金主要由α-Mg和大部分位于晶界的Mg24Y5和Mg41Sm5第二相组成。添加Ho后,在晶界处出现了Mg24Ho5新相,Ho的含量高低对合金相组成没有影响。随着Ho含量的不断提高,析出的第二相逐渐增多,晶粒尺寸逐渐减小。当Ho含量为4%时,该铸态合金的综合力学性能最好,抗拉强度、屈服强度、硬度和伸长率分别为193 MPa、170 MPa、72.8 HBW和4.15%。     

Microstructure and mechanical properties of laser additive manufactured novel titanium alloy after heat treatment

A novel α+β titanium alloy with multi-alloying addition was designed based on the cluster formula 12[Al-Ti₁₂](AlTi₂)+5[Al-Ti₁₄](AlV_1.2Mo_0.6Nb_0.2) which was derived from Ti-6Al-4V.The nominal composition of this novel alloy was determined as Ti-6.83Al-2.28V-2.14Mo-0.69Nb-6.79Zr.In this study,the novel alloy and Ti-6Al-4V alloy samples were prepared by laser additive manufacturing.The microstructure,micro-hardness,room/high temperature tensile properties of the as-deposited samples were investigated.Compared to Ti-6Al-4V,the novel alloy has much higher room and high temperature (600℃) tensile strengths,which are 1,427.5 MPa and 642.2 MPa,respectively;however,it has a much lower elongation (3.2%) at room temperature because of the finer microstructure.To improve the elongation of the novel alloy,heat treatment was used.After solution at 960℃ or 970℃ for 1 h followed by air cooling and aging at 550℃ for 4 h followed by air cooling,a unique bi-modal microstructure which contains crab-like primary α and residual β phase is obtained,improving the compression elongation by 80.9% compared to the as-deposited samples.The novel alloy can be used as a high-temperature and high-strength candidate for laser additive manufacturing.     

Effect of Zr addition on microstructures and mechanical properties of Ni-46Ti-4Al alloy

The microstructures and mechanical properties of Ni-(46-x)Ti-4Al-xZr (x = 0-8, at.%) alloys have been investigated by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and mechanical tests. The results show that the Ni-Ti-Al-Zr alloys are composed of TiNi and (Ti, Al) 2 Ni with Zr as a solid solution element in both phases, and the third phase, (Zr, Ti, Al) 2 Ni, appears in Ni-40Ti-4Al-6Zr and Ni-38Ti-4Al-8Zr alloys. The compressive yield strength at room temperature increases with the increase of Zr content due to the solid-solution strengthening of Zr and precipitation strengthening of (Ti, Al, Zr) 2 Ni phase. However, the Ni-42Ti-4Al-4Zr alloy exhibits the maximum compressive yield strength at 873 and 973 K because of the softening of (Zr, Ti, Al) 2 Ni phase in the alloys with more Zr addition. The tensile stress-strain tests and the SEM fracture surface observations show that the brittle to ductile transition temperature of Ni-42Ti-4Al-4Zr alloy is between 873 and 923 K.     

GWN751K镁合金组织和性能研究

采用OM,SEM,TEM,XRD等手段,研究了不同状态的GWN751K镁合金的组织和性能。结果表明:铸态合金主要由基体和网状共晶组织构成,σb=215MPa,σ0.2=187MPa,δ=3.5%,DSC曲线存在明显的低熔点吸热峰;经过535℃,16h热处理,共晶组织分解,晶界残留富Mg-Y相,晶粒尺寸明显长大,合金的力学性能有所改善,σb=240MPa,σ0.2=189MPa,δ=10%,DSC曲线低熔点吸热峰消失;合金经过挤压后,发生动态再结晶,力学性能显著提高,σb=320MPa,σ0.2=260MPa,δ=18%,最主要的原因是挤压后合金中存在高密度位错以及细小的晶粒,可显著提高合金的强度和塑性;经过时效后,合金的平均断裂强度达到400MPa以上,但塑性明显降低。铸态合金二次裂纹主要存在于晶界的共晶组织中,535℃,16h热处理以及挤压后的合金二次裂纹主要是在晶粒内部。     

Ti-6Al-4V合金的轧制与组织性能

采用光学显微镜、透射电镜和拉伸试验等手段,研究了多道次两向轧制和单向轧制对不同原始状态(热轧态、水淬态和空冷态)Ti-6Al-4V合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,热轧态Ti-6Al-4V合金的组织为片状α相+β相+少量等轴α相,水淬态Ti-6Al-4V合金形成了针状马氏体组织,空冷态Ti-6Al-4V合金形成了网状组织。Ti-6Al-4V合金适宜的两向轧制温度为700 ℃,此时合金中可见颗粒状β相弥散分布在α基体上。两向轧制Ti-6Al-4V合金的抗拉强度和屈服强度从高至低顺序为:水淬态>热轧态>空冷态,且轧向强度要高于横向;相较于单向轧制,两向轧制明显降低了Ti-6Al-4V合金板材拉伸性能的各向异性,且水淬态Ti-6Al-4V合金的轧向和横向强度差异最小,700 ℃轧制Ti-6Al-4V合金的主要细化机制为位错细化。     

SiO2玻璃陶瓷与TC4钛合金的活性钎焊

分别采用活性钎料AgCuTi和TiZrNiCu对SiO2陶瓷和TC4钛合金进行了钎焊连接,使用扫描电镜和X射线衍射等手段对接头的界面组织和力学性能进行了研究.结果表明,采用两种钎料均能够实现对SiO2陶瓷和TC4钛合金的连接;SiO2/TiZrNiCu/TC4接头的典型界面为SiO2/Ti2O+Zr3Si2+Ti5Si3/(Ti,Zr)+Ti2O+TiZrNiCu/Ti基固溶体/TiZr-NiCu+Ti基固溶体+Ti2(Cu,Ni)/TC4;SiO2,AgCuTi/TC4接头的典型界面为SiO2/TiSi2+Ti4O7/TiCu+Cu2Ti4 O/Ag基固溶体+Cu基固溶体/TiCu/Ti2Cu/Ti+Ti2 Cu/TC4.当钎焊温度为880℃和保温时间为5 min时,SiO2/TiZrNiCu/TC4接头的最高抗剪强度为23 MPa;当钎焊温度为900℃和保温时间为5 min时,SiO2/AgCuTi/TC4接头的最高抗剪强度为27MPa.     

选区激光熔化制备Ti-6Al-4V合金的热处理工艺及力学性能

采用选区激光熔化技术(SLM)制备Ti-6Al-4V合金圆棒试样,通过不同的热处理工艺改善材料的拉伸性能,并对SLM制备的Ti-6Al-4V合金试样开展了高周疲劳性能测试。通过微观组织和疲劳试样断口分析,揭示了显微组织结构与拉伸性能的关系,以及Ti-6Al-4V合金的疲劳裂纹起始源和裂纹扩展机理。结果表明,热处理工艺对SLM成型Ti-6Al-4V合金的力学性能有显著的影响,920 ℃×1 h水冷,随后800 ℃×2 h炉冷的固溶时效热处理制度可以获得较好的综合室温拉伸性能。其室温组织为晶界上分布的α相和晶粒内部片层状分布的α+β相。SLM成型Ti-6Al-4V合金显微组织中的晶界形成与扫描路径相关,热处理过程中α相会优先在扫描分区搭接处析出。与手册锻件的疲劳寿命曲线比较,在同样的最大应力水平下,增材试样的疲劳寿命比锻件的疲劳寿命低,这种降低的趋势随着应力水平的降低而逐步增大。在400 MPa的应力水平下(R=-1),锻件的疲劳寿命已经在2×10⁷水平,增材试样的疲劳寿命依然较低,约为锻件的1%。SLM成型Ti-6Al-4V合金的应力疲劳寿命偏低,是由于试样中存在未熔合缺陷造成。扫描分区搭接处易产生未熔合缺陷,而疲劳裂纹也会沿着这些缺陷扩展。     

固溶时效处理对Ti-6Al-4V ELI钛合金准静态和动态力学性能的影响

采用万能力学试验机及霍普金森压杆试验研究了固溶和时效处理对Ti-6Al-4V ELI钛合金准静态拉伸性能和动态压缩性能的影响。结果表明,Ti-6Al-4V ELI钛合金经固溶时效处理后(固溶温度941 ℃),其屈服强度可达1097 MPa以上,抗拉强度可达1167 MPa以上。相比热处理前的Ti-6Al-4V ELI钛合金,强度显著提升,而且塑性指标也维持在较高水平。同时,不同应变速率下Ti-6Al-4V ELI钛合金的动态压缩性能提升明显,动态压缩强度和应变速率的对数呈线性关系,且随着应变速率的增加而增大。     

Mechanical and electrochemical characterization of Ti-12Mo-5Zr alloy for biomedical application

We have fabricated a new β metastable titanium alloy that comprised of non-toxic elements Mo and Zr. Ingot with composition of Ti-12Mo-5Zr is prepared by melting pure metals in a vacuum non-consumable arc melting furnace. The alloy is then homogenized and solution treated under different temperature. The alloy is characterized by optical microscopy, X-ray diffraction, tensile tests and found to have an acicular martensitic α″ + β structure and dominant β phase for the 1053 K and 1133 K solution treatment samples, respectively. The elastic modulus of the latter is about 64 GPa, which is much lower than those of pure Ti and Ti-6Al-4V alloy. In addition, it had moderate strength and much higher microhardness as compared with Ti-6Al-4V alloy. The results show better mechanical biocompatibility of this alloy, which will avoid stress shielding and thus prevent bone resorption in orthopedic implants applications. As long-term stability in biological environment is required, we have also evaluated the electrochemical behavior in a simulated body fluid (Hank's solution). Potentiodynamic polarization curves exhibits that the 1133 K solution treatment Ti-12Mo-5Zr sample has better corrosion properties than Ti-6Al-4V and is comparable to the pure titanium. The good corrosion resistance combined with better mechanical biocompatibility makes the Ti-12Mo-5Zr alloy suitable for use as orthopedic implants.