基于“团簇加连接原子”模型的低弹性模量beta-Ti固溶体合金成分设计

beta-Ti合金以其低弹性模量、优良的综合性能和生物相容性，成为目前生物医用材料的研究热点。为了保证beta-Ti合金的结构稳定性、低弹性模量和良好的综合性能，需要进行多元合金化。本项目基于自行发展的"团簇加连接原子"结构模型，从描述Ti-Mo二元基础体系共析点的团簇成分式[MoTi14]Mo出发，根据无毒性合金化组元Mo、Nb、Zr、Sn、Ta等与基体Ti的混合焓，定性划分这些组元在基础团簇式中的取代位置；然后再根据表征beta结构稳定性的Mo当量参数，定量给出添加组元的含量。通过合理组合结构稳定性元素（如Mo、Nb、Ta）与低弹性模模量元素（如Nb、Sn、Zr），根据结构表征和性能测试结果，在保证合金具有良好综合性能的前提下，建立多元beta-Ti合金的稳定固溶体结构模型及团簇成分式，从而发展出具有低弹性模量、高强度等性能优越的新型生物医用beta-Ti固溶体合金。

可生物医用的beta-Ti合金由于具有低的弹性模量而成为目前研究的热点，但低弹性模量与合金的beta结构稳定性相互矛盾，需要进行多元合金化，这势必造成合金成分的复杂化。beta-Ti合金为固溶体结构，其典型特征之一是化学短程序，我们将化学短程序理想地描述为第一近邻团簇及位于其间连接原子的结构单元，由此提出了“团簇加连接原子”的稳定固溶体结构模型，揭示出合金具有特定的团簇成分式，可确定合金元素含量。根据此模型，我们确定出了低弹性模量稳定多元beta-Ti合金的团簇成分式[(Mo,Sn)(Ti,Zr)14](Nb,Ta)x (为原子个数比例表达式)，实现了多元素合金化的成分设计，并解决了低弹性模量与beta结构稳定性的矛盾，由此发展出新的弹性模量低于50 GPa多元低模量beta-Ti合金系列Ti-Zr-Mo-Sn-Nb，如[(Mo0.5Sn0.5)(Ti13Zr)]Nb1合金(Ti68.1Zr10.0Mo5.2Sn6.5Nb10.2 wt.%)。在此团簇模型设计方法基础上，借助Ti-M二元相图信息，将各合金化元素对beta结构稳定能力做出了判定，从而给出了一个较全面的表征beta结构稳定性的Mo当量Moeq公式，为(Moeq)Q = 1.0Mo+1.25V+0.59W+0.28Nb+0.22Ta+1.93Fe+1.84Cr+1.50Cu+2.46Ni+2.67Co+2.26Mn+0.30Sn+0.47Zr+3.01Si-1.47Al (wt. %)。与常用经验Moeq公式相比，在这个新的当量公式中，根据相图特征对一些元素(Sn, Zr, Al等)的当量系数做了重新定义。该当量公式存在内在科学依据，由此建立了合金结构稳定性与弹性模量的关联趋势。此外，低弹性模量的beta-Ti合金通常位于beta结构稳定的下限处，研究了第二相析出类型(alpha’’ martensite and omega)及其对合金弹性模量和性能的影响，以及应力诱发的马氏体相变，从而为由成分带来的beta结构稳定性提供支撑。这种基于团簇结构模型的固溶体合金成分设计方法为探索低弹性模量的多元beta-Ti合金成分提供了高效便利，具有科学意义和工程价值，获得的弹性模量为43 GPa的低模量beta-[(Mo0.5Sn0.5)(Ti13Zr)]Nb1合金目前正在由常州凯旺金属材料有限公司实施产业推广中。