Ti-(Cu, Zr)系齿科医用材料相图、材料设计及性能研究

老龄化社会对高性能齿科钛合金有着巨大需求，然而相关基础研究仍比较薄弱。本项目以多组元Ti-(Cu, Zr)系齿科合金为研究对象，从相图、相结构及材料热力学等基础研究出发,研究其三元和多元体系相平衡关系，探讨亚稳金属间化合物形成机理、形貌组织的稳定性及动态行为,定量分析受扩散过程控制的相变动力学的影响因素。采用量子力学第一性原理方法研究不同成分的Ti-Cu和Ti-Zr合金的体相结构、能量属性和材料性质，并与实验结果相互验证，得到Ti-(Cu, Zr)系齿科多元合金设计的元素种类和成分选择的依据，高效地设计出符合齿科合金性能要求的材料。进而研究多组元合金元素对钛合金微观组织的影响，从凝固过程中各相的竞争性形成及动力学的角度，来探讨多组元Ti-(Cu, Zr)合金的显微组织演变机理，实现通过精确的成分和工艺参数设计来控制显微组织，以获得最佳的材料力学性能、生物相容性和耐磨性能的综合效果。

本工作较全面地测定了Ti-(Cu, Zr)系齿科医用材料相关的Ti–Cu–Dy、Ti–Cu-Er、Zr–Si–Pr、Zr–Si–Ce等合金相图及CuTi3、Cu7Dy等化合物的晶体学数据；采用第一性原理方法研究重要金属间化合物的晶体结构、力学性能、电子结构和热动力学性能，对其进行结构优化与性能研究，提出材料优化设计的思路；在相图与第一性原理计算的基础上，开发了一系列Ti-(Cu, Zr)系齿科医用材料，探讨了β相稳定元素的影响机理，研究了微观组织演变对性能的影响，提出了机械性能优化的途径。在此基础上，研究了锆基复合材料在高温氧化、摩擦磨损等服役环境中的行为与微观机理，为材料性能的优化提供研究依据。上述结果为开发新型的生物医用钛基、锆基复合材料提供了重要的科学依据，进一步丰富和完善了钛合金相图热力学数据库。本项目至结题时共发表标注资助论文30篇，其中在国际SCI源期刊发表30篇，获得授权3项国家发明专利。