低模量高强度医用β钛合金深冷轧制变形行为及机理研究

Compared to the pure titanium and the α+β type titanium alloys, β type titanium alloys have become a hot topic in the present research due to their superior biocompatibility and lower elastic modulus. But their elastic modulus is still higher than that of human bone, which will lead to mismatch between the implants and bone. How to modulate mechanical properties through microstructural control to further reduce elastic modulus of β type titanium alloys, achieving low modulus with keeping high strength is an important research topic in the current. Therefore, the cryorolling deformation technology is introduced in the project for the preparation of ultrafine-grained or nanostructured β titanium alloy with low modulus and high strength. This study mainly focus on the deformation behavior and mechanism of the biomedical β titanium alloy during cryorolling. The martensitic transformation, evolution of microstructure (grain size, morphology, dislocation configuration etc..) and texture during cryorolling, and their effects on the mechanical properties (elastic modulus, tensile strength etc.. ) will be investigated. The grain refinement and deformation mechanisms will be clarified finally. The study will bring great significances to enrich and perfect the theory of plastic deformation of titanium alloy under ultra-low temperature, as well as the development of low modulus high strength titanium alloys for biomedical applications.

相对临床上广泛使用的纯钛和α+β型钛合金，医用β钛合金具有更加优异的生物相容性和更低的弹性模量，已成为当前研究的热点，但是其仍然存在弹性模量较高与人骨匹配不良的问题。如何通过微观组织调控进一步降低医用β钛合金的模量，达到低模量高强度的优良匹配是当前的一个重要研究课题。本项目拟将深冷轧制变形技术引入到医用β钛合金中，用于制备低模量高强度的超细晶/纳米晶医用钛合金材料，并重点对医用β钛合金的深冷轧制变形行为及机理进行科学基础研究。探讨合金在深冷轧制变形过程中的马氏体转变特征、微观组织（晶粒大小、组织形貌、位错组态等）和织构取向的演化规律，及其对合金力学性能（弹性模量、强度等）的影响，揭示合金在深冷轧制变形过程中的晶粒细化机制及变形机理。开展本项目研究，对丰富和完善钛合金超低温下的塑性变形理论、开发低模量高强度的医用钛合金材料具有重要的意义。

TNTZF（Ti-25Nb-10Ta-1Zr-0.2Fe）钛合金拥有较低的弹性模量，良好的生物相容性，以及优异的耐蚀性能，因此在医用植入物市场有着光明的应用前景。前期研究表明：该合金通过轧制能明显降低其弹性模量，提高合金的的强度，但塑性会有较大损失。.本项目通过研究TNTZF钛合金的低温轧制变形行为，发展了一种低温轧制工艺，不仅大大提高了TNTZF钛合金的强度，降低了其弹性模量，还极大的保留了其室温塑性，实现了高强度、低模量和高韧性的更优匹配。主要研究结果显示：(1)合金在-20℃、-30℃和-50℃不同温度下轧制不同的变形量后，表现出不同的变形机制。在-20℃温度下低温轧制，合金的变形机制主要为应力诱发α″马氏体相变和位错滑移。当轧制温度降低到-30℃；合金的变形机制主要为应力诱发α″马氏体相变、位错滑移以及剪切带；当温度继续降低至-50℃时，合金的变形机制为应力诱发α″马氏体相变、位错滑移、剪切带，并且出现了孪晶马氏体和应力诱发ω相变来起到协调变形的作用。(2)合金在-30℃下低温轧制压下量在40～60%时，合金抗拉强度明显提高，整体上能达到~1000MPa，伸长率能保持在较高的范围23%~33%，弹性模量维持在61GPa~75GPa，综合性能达到良好的匹配。(3)整体上该合金经过低温轧制后产生的织构强度都不大，变形量较小时，主要织构组分为α纤维织构{001}<110>和γ纤维织构（{111}<110>和{111}<112>），随变形量增大，α取向线的织构密度水平增加，并且明显出现了{112}<110>织构，而γ取向线上的{111}<110>织构逐渐向{111}<112>演变。