新型醫(yī)用β鈦合金研究的發(fā)展現(xiàn)狀及加工方法

戴世娟，朱運(yùn)田，陳　鋒

(1.南京理工大學(xué) 納米結(jié)構(gòu)材料中心， 南京　210094;2.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 南京　211102)

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新型醫(yī)用β鈦合金研究的發(fā)展現(xiàn)狀及加工方法

戴世娟1,2，朱運(yùn)田1，陳鋒2

(1.南京理工大學(xué) 納米結(jié)構(gòu)材料中心， 南京210094;2.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 南京211102)

摘要：簡(jiǎn)述了生物醫(yī)用β鈦合金的發(fā)展歷程，從元素體系上將其分為Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Ta系和Ti-Nb系，歸納了目前報(bào)道的典型β鈦合金的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了Ti-Nb系β鈦合金的發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)了生物醫(yī)用β鈦合金的塑性加工和熱處理工藝，提出了目前研制的β鈦合金存在的問(wèn)題，并對(duì)鈦合金的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。分析結(jié)果表明：根據(jù)市場(chǎng)及社會(huì)需求發(fā)展，生物醫(yī)用鈦合金的應(yīng)用前景樂(lè)觀，開(kāi)展新型β鈦合金的研發(fā)和臨床實(shí)踐十分必要。

關(guān)鍵詞：β鈦合金；加工方法；力學(xué)性能

鈦及其合金以優(yōu)良的生物相容性能、力學(xué)性能和抗腐蝕性能在生物醫(yī)用金屬材料中具有其他材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。鈦及鈦合金作為生物醫(yī)用材料始于20世紀(jì)40年代初期，Bothe等[1]發(fā)現(xiàn)：相對(duì)于不銹鋼和鈷合金，鈦與骨之間無(wú)任何不良反應(yīng)。隨后將鈦引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。到20世紀(jì)60年代，Branemark[2-3]將鈦合金用作口腔種植體，從此鈦?zhàn)鳛橥饪浦踩氩牧系玫搅藦V泛的發(fā)展。醫(yī)用鈦及其合金材料的應(yīng)用按照研究時(shí)間的先后順序大致分為3個(gè)階段：第1階段是以純鈦和Ti-6Al-4V(TC4)為代表的α型合金；第2階段是以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb為代表的無(wú)釩α+β型合金；第3個(gè)階段是具有更好生物相容性和更低彈性模量的β鈦合金。

隨著科技的進(jìn)步，人類社會(huì)對(duì)生物醫(yī)用金屬材料的要求不斷提高，純鈦、TC4和無(wú)釩α+β型合金已經(jīng)不能滿足植入承載體的要求，迫切需要研究以無(wú)毒和低彈性模量為主要特點(diǎn)的β鈦合金。β鈦合金從元素體系上可分為Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Ta系和Ti-Nb系，其中Ti-Nb系的研究開(kāi)展較多。

1生物醫(yī)用β鈦合金的研究現(xiàn)狀

1.1Ti-Mo系

Mo元素是鈦合金的β穩(wěn)定元素，其添加有利于β鈦合金的形成。與TC4相比，Ti-Mo系合金具有更高的拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性，更好的耐磨損性能以及更低的彈性模量。為了設(shè)計(jì)新型的Ti-Mo系醫(yī)用合金，研究人員對(duì)各種合金元素對(duì)Ti-Mo合金組織和性能影響進(jìn)行了深入的研究。Zhang等[4]研究了添加Nb元素對(duì)βTi-15Mo合金的顯微組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示：隨著Nb元素的增加，β晶粒尺寸減小，硬度和彈性模量降低。Maeshimal等[5]研究了Sn含量和時(shí)效條件的變化對(duì)Ti-Mo-Sn體系超彈性的影響，結(jié)果表明：經(jīng)固溶處理后，Ti-5Mo-5Sn(at%)合金可達(dá)3.0%的超彈性應(yīng)變；該合金在600 ℃下時(shí)效 5 min 后，可達(dá)到3.5%的可回復(fù)應(yīng)變。Maeshima等[6]也研究了Ti-Mo-Sn系合金，結(jié)果表明：一定成分比的Ti-Mo-Sn合金可獲得良好的形狀記憶效應(yīng)，可回復(fù)應(yīng)變達(dá)3%以上。

表1為現(xiàn)有的部分Ti-Mo系β型鈦合金的力學(xué)性能。由表1可知：雖然一些Ti-Mo系合金具有超彈性，但也有一部分合金屈服強(qiáng)度較低，如Ti-15Mo 和Ti-2Mo-2Zr-3Al，不能作為承受應(yīng)力部位的植入材料；另外，部分合金含有有毒元素Al，如Ti-15Mo-5Zr-3Al 和Ti-2Mo-2Zr-3Al，導(dǎo)致合金的生物相容性較差。

1.2Ti-Zr系

Ti-Zr系的代表合金為Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0.2Pd合金，該合金經(jīng)時(shí)效后其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量[9]分別為919 MPa，806 MPa和99 GPa。與Ti-Mo系合金相比，該合金的彈性模量明顯偏高，而強(qiáng)度卻偏低，因此發(fā)展?jié)摿Σ淮蟆?/p>

1.3Ti-Ta系

Ta的價(jià)格昂貴，并且其熔點(diǎn)很高(3 273 K)，加工熔煉較困難，因此目前對(duì)Ti-Ta系的β鈦合金研究較少。Zhou等[10]研究了Ta含量對(duì)生物醫(yī)用二元Ti-Ta合金的彈性模量和拉伸性能的影響，結(jié)果表明：Ti-30Ta和Ti-70Ta具有較低的彈性模量和較高的強(qiáng)度。雖然該體系合金綜合性能較好，但加工困難，研究和應(yīng)用范圍受限。

1.4Ti-Nb系

近年來(lái)，美國(guó)和日本都致力于研發(fā)具有較低彈性模量的Ti-Nb系合金。如美國(guó)開(kāi)發(fā)的 Ti-35.3Nb-5.1 Ta-7.1 Zr[3]，其固溶態(tài)彈性模量達(dá)到了55 GPa，與人體致密骨的彈性模量非常接近。日本豐橋技術(shù)大學(xué)的Niinomi等[11]應(yīng)用d電子合金設(shè)計(jì)理論，成功地設(shè)計(jì)了Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金，該合金固溶態(tài)的彈性模量約為65 GPa，強(qiáng)度達(dá)550～650 MPa，力學(xué)性能較好。我國(guó)在新型β鈦合金的研究方面也有重大突破，由中科院金屬所研制的Ti-24Nb-4Zr-7.5Sn，在固溶狀態(tài)下的彈性模量達(dá)到了52 GPa[12]，有潛力成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的新型生物醫(yī)用鈦合金。表2列出了目前具有代表性的Ti-Nb系合金的力學(xué)性能，可以看出：與其他體系β鈦合金相比，Ti-Nb系合金的彈性模量較低，更接近人骨的彈性模量，并且不含有毒元素Al和V，適合作為醫(yī)用金屬材料。

表1　現(xiàn)有部分Ti-Mo系β型鈦合金力學(xué)性能[7-8]

表2　現(xiàn)有Ti-Nb系合金的力學(xué)性能[3,10,11]

到目前為止，除了力學(xué)性能之外，國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)該體系合金在各種工藝處理后的顯微組織、相變過(guò)程和所具備的特殊性能也十分關(guān)注。按照所添加的合金元素的不同可分為 Ti-Nb-Sn系、Ti-Nb-Ta系、Ti-Nb-Zr-Ta系和Ti-Nb-Zr-Sn系等。

1.4.1Ti-Nb-Sn體系

一定配比的Ti-Nb-Sn系合金具有較好的超彈性。文獻(xiàn)[13]研究了摻雜4%～5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Sn的Ti-16Nb合金的馬氏體相變及拉伸性能，結(jié)果表明：Sn量的增加可以使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度迅速下降，而且含Sn量越高，越可以獲得較大的超彈性應(yīng)變。文獻(xiàn)[14]通過(guò)室溫下拉伸試驗(yàn)研究了Ti- 14Nb- 4Sn和Ti-16Nb- 4Sn合金的超彈性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：鍛造態(tài)和400 ℃冰水淬火態(tài)的Ti-16Nb-4Sn合金超彈性良好，通過(guò)4%變形量循環(huán)拉伸3次即可獲得完全的超彈性；而400 ℃冰水淬火態(tài)的Ti-14Nb- 4Sn合金通過(guò)3%變形量循環(huán)拉伸2次即可完全回復(fù)。

另外，經(jīng)相關(guān)工藝處理后的該體系合金的彈性模量較接近人骨。Ozaki等[15]研究了冷軋并經(jīng)后續(xù)熱處理的Ti-35Nb-4Sn合金的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，結(jié)果表明：合金沿軋制方向的彈性模量降低、抗拉強(qiáng)度提高；經(jīng)過(guò)冷軋?zhí)幚淼暮辖鸬闹飨嗍铅痢?β相，其彈性模量比較接近人骨的彈性模量，約為42 GPa，但是該合金的強(qiáng)度較低，為600～800 MPa。

1.4.2Ti-Nb-Ta體系

Ti-Nb-Ta體系為Ti-Nb系β鈦合金中研究較廣泛的一種，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者比較關(guān)注的是該體系合金的顯微組織和力學(xué)性能。文獻(xiàn)[16]研究了三元合金Ti-(13～26)Nb-(22～38)Ta，結(jié)果表明：合金的相變對(duì)合金的成分和冷卻速率很敏感。該合金水淬后，在β相基體上可形成α″相；空冷后，可形成細(xì)小的α相和ω相。隨著Nb+Ta含量的增加，馬氏體的體積分?jǐn)?shù)下降。另外，有研究表明：該體系合金具有超彈性和較低的彈性模量。文獻(xiàn)[17]的研究結(jié)果表明：Ti-25Ta-25Nb合金經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒釞C(jī)械處理后具有一定的超彈性并可獲得較低的彈性模量(55 GPa)。

1.4.3Ti-Nb-Zr-Ta體系

Ti-Nb-Zr-Ta體系屬于四元合金體系，合金元素種類較多，并且大多具有一定的β穩(wěn)定能力，因此當(dāng)合金元素含量較高時(shí)，該體系合金有利于獲得完全的β相組織。例如：文獻(xiàn)[16]在研究了三元合金Ti-(13～26)Nb-(22～38)Ta的同時(shí)，還向該合金中加入了Zr元素，研究了Ti-(13～35.5)Nb-(5～22)Ta-(4～7.2)Zr的四元合金，結(jié)果表明：加入元素Zr后可起到穩(wěn)定β相、降低馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度和抑制ω相形成的作用。

1.4.4Ti-Nb-Zr-Sn體系

與Ti-Nb-Zr-Ta系類似，Ti-Nb-Zr-Sn體系的合金通常在水淬后可獲得較高含量的β相，并且具有較低的彈性模量。例如文獻(xiàn)[18]研究了四元合金Ti-(20～26)Nb-(2～8)Zr-(3.5～11.5)Sn，結(jié)果表明： Ti-24Nb-4Zr-7.5Sn合金水淬后由單一的β相構(gòu)成，在室溫條件下可獲得2%的可回復(fù)彈性應(yīng)變，并可獲得較低的彈性模量(52 GPa)。

1.4.5其他體系

除上述4個(gè)體系外，還有一些合金因具有良好的力學(xué)性能得到了研究人員的關(guān)注。Tavares等[19]研究了Ti-Nb-Si體系醫(yī)用合金，結(jié)果顯示：微量Si的加入可有效抑制ω相的析出，并能穩(wěn)定β相和細(xì)化晶粒。隨著Si含量的增加，固溶強(qiáng)化效應(yīng)和硬度增加，并且由于硬脆相ω相的消失，彈性模量顯著降低。Ti-35Nb-0.15Si合金的彈性模量為65 GPa，較接近人骨，具有較大的應(yīng)用潛力。Guo等[20]設(shè)計(jì)了Ti-30Nb-1Mo- 4Sn醫(yī)用合金。由于馬氏體相的存在，該合金經(jīng)固溶處理后屈服強(qiáng)度較低(大約130 MPa)，但經(jīng)過(guò)冷軋和退火處理后，合金彈性模量低至45 GPa，而抗拉強(qiáng)度高至 1 GPa，可作為理想的醫(yī)用植入材料。

2生物醫(yī)用β鈦合金的塑性加工和熱處理工藝

2.1塑性加工

目前，對(duì)β鈦合金的塑性加工主要有拉拔和冷軋2種方法。

1) 拉拔

拉拔又稱拉伸、拉制，是塑性加工鈦材的常用方法之一。主要方法是拉伸成形，即金屬坯料在拉拔力的作用下，通過(guò)橫截面積逐漸減小的拉伸?？?，獲得與?？壮叽纭⑿螤钕嗤闹破返慕饘偎苄猿尚畏椒?。對(duì)于鈦合金，如冷拉拔有困難，也可采用溫拉拔。

Wang Liqiang等[21]研究了Ti-Nb-Zr系鈦合金的冷拔組織與性能。該合金冷拔后未見(jiàn)α″相，20%冷拔后有孿晶出現(xiàn)。當(dāng)形變率達(dá)到80%時(shí)，得到比較優(yōu)異的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度大于1.17 GPa，延伸率大于10%。

2) 冷軋

冷軋是鈦材塑性加工的主要工藝，通過(guò)冷軋可以獲得各種板帶箔材，是目前最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的塑性加工手段。冷軋變形可使鈦材發(fā)生加工硬化，從而提高合金的強(qiáng)度。另外，一定的冷軋變形還會(huì)導(dǎo)致冷軋織構(gòu)的形成。Ozaki等[14]研究了冷變形及熱處理對(duì)Ti-35Nb-4Sn合金組織與性能的影響，研究表明：該合金經(jīng)過(guò)89%冷軋后，由于出現(xiàn)了明顯的<110>絲織構(gòu)，在冷軋方向上的彈性模量只有43 GPa，經(jīng)低溫時(shí)效(250～300 ℃)處理后，合金的強(qiáng)度大幅度提高，但是由于在時(shí)效過(guò)程中有ω相的析出，導(dǎo)致合金的彈性模量也有較大幅度的提高。另外，MA等[22]研究了α+β型的Ti-10V-4.5Fe-1.5Al的冷軋變形行為及織構(gòu)變化，該合金在60%冷軋變形后得到的β相織構(gòu)為{015}<100>，{001}<210>，{112}<110>，{001}<130>和{113}<332>。到目前為止，對(duì)于生物β型鈦合金的冷變形織構(gòu)的研究還十分有限，需進(jìn)一步探索。

鈦合金在冷軋變形過(guò)程中還可能伴隨相變過(guò)程，如北京科技大學(xué)曾研究了Ti-35Nb-5Ta-7Zr的冷軋變形特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)該合金固溶態(tài)出現(xiàn)了少量α″相，經(jīng)90%冷軋變形后α″相消失，但產(chǎn)生了少量應(yīng)力誘發(fā)ω相。冷軋過(guò)程中，鈦合金的力學(xué)性能隨著合金組織的變化而變化，其中包括位錯(cuò)、孿晶、亞結(jié)構(gòu)等微觀組織。目前，對(duì)于該方面的研究，以純鈦?zhàn)鳛檠芯繉?duì)象較多，對(duì)其變形機(jī)制的研究也較為系統(tǒng)，但對(duì)于生物醫(yī)用β鈦合金的研究較少。郭文淵等[23]研究了Ti-35Nb-5Ta-7Zr冷軋過(guò)程中微觀組織的變化，SINGH等[24]對(duì)TNTZO合金(Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-O)的冷變形機(jī)理進(jìn)行了研究。但對(duì)于新型β鈦合金來(lái)講，其冷變形及變形過(guò)程中微觀組織的變化機(jī)理的研究尚需完善。

通過(guò)以上分析可知：對(duì)新型β鈦合金進(jìn)行冷軋變形，并系統(tǒng)深入地探討其變形機(jī)制、微觀組織及織構(gòu)的演變，可為具有優(yōu)異性能的β鈦合金的制備提供重要的指導(dǎo)作用。

2.2熱處理工藝

為了改善鈦合金的性能，除了合金化、塑性變形外，還可進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚怼ｂ伜辖鸬南嘧冊(cè)硎氢伜辖馃崽幚淼睦碚摶A(chǔ)。鈦合金能進(jìn)行的熱處理類型較多，如固溶、時(shí)效和再結(jié)晶退火等。

2.2.1固溶

由于固溶處理溫度較高，導(dǎo)致合金氧化比較嚴(yán)重，因此在熱透的前提下應(yīng)盡可能縮短保溫時(shí)間。一般情況下，固溶保溫時(shí)間可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[25]：

(1)

式中：T為保溫時(shí)間(min);A為保溫時(shí)間系數(shù)(3 min/mm);D為工作有效厚度(mm)。

對(duì)于亞穩(wěn)β鈦合金，經(jīng)快速冷卻能得到室溫單一亞穩(wěn)β相。將合金加熱到Ts溫度，由于Ts溫度低于相變點(diǎn)，β相自由能比α相高(見(jiàn)圖1)，所以亞穩(wěn)β相有向α相轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。由于能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏的作用，在起伏點(diǎn)上首先形成α相晶核，隨著晶核的長(zhǎng)大，合金元素從α相中被排斥出來(lái)，在其周圍形成合金元素含量較高的區(qū)域。隨著α相周圍合金元素逐漸增加，亞穩(wěn)β相逐漸穩(wěn)定，當(dāng)合金元素達(dá)到平衡組成時(shí)，β相不再發(fā)生相變而保存下來(lái)。自此，相變過(guò)程基本結(jié)束，此即為鈦合金的時(shí)效原理[26]。

圖1　鈦合金α、β相自由能隨溫度變化示意圖

由于彌散相α的析出，通過(guò)時(shí)效工藝可使合金的強(qiáng)度大幅度提高，但同時(shí)也會(huì)造成彈性模量的上升和塑性的下降。例如日本學(xué)者[27]1998年利用d電子合金設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金，在固溶處理后合金的彈性模量只有50 GPa，但其抗拉強(qiáng)度也較低(550 MPa)，時(shí)效后由于α相的析出導(dǎo)致強(qiáng)度大幅度上升(930 MPa)，但彈性模量也同步上升(80 GPa)。

2.2.2雙級(jí)時(shí)效

雙級(jí)時(shí)效就是對(duì)固溶處理后的合金在不同溫度進(jìn)行兩次時(shí)效處理，即先低溫預(yù)時(shí)效，然后在高溫進(jìn)行時(shí)效。雙級(jí)時(shí)效處理工藝目前主要應(yīng)用在鋁合金領(lǐng)域。在較低溫度進(jìn)行預(yù)時(shí)效，目的在于在合金中獲得高密度的GP區(qū)，由于GP區(qū)通常是均勻成核的，當(dāng)其達(dá)到一定尺寸后，就可以成為隨后沉淀相的核心，之后在稍高溫度下保持一定時(shí)間進(jìn)行最終時(shí)效。

目前鈦合金的雙級(jí)時(shí)效工藝應(yīng)用較少，主要在航空航天領(lǐng)域。例如申請(qǐng)?zhí)枮?00810232780.7的專利涉及一種提高冷成型β鈦合金時(shí)效后塑性的熱處理工藝[28]，對(duì)航空航天領(lǐng)域使用的Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al合金采用冷變形和雙級(jí)時(shí)效工藝。制備工藝為：① 將TB3合金在820℃固溶后空冷，室溫下經(jīng)過(guò)5%～30%冷變形；② 將冷變形后的試樣在正常的時(shí)效溫度(500 ℃)下保溫2 h；③ 將時(shí)效溫度提高到550 ℃，再保溫1 h。經(jīng)過(guò)該工藝處理后，合金可獲得優(yōu)異的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1.2 GPa，延伸率在13%以上。

對(duì)生物醫(yī)用鈦合金而言，關(guān)于采用雙級(jí)時(shí)效工藝提高鈦合金綜合力學(xué)性能的專利和論著更加少見(jiàn)。2011年4月巴西學(xué)者[29]研究了雙級(jí)時(shí)效工藝對(duì)Ti-30Nb合金組織和性能的影響，采用的工藝為：① 真空電弧熔煉；② 1 000 ℃×12 h均勻化熱處理；③ 900 ℃熱軋；④ 1 000℃×1 h固溶處理；⑤ 260 ℃×(1 min，2 h，4 h)+400 ℃×(1 min，20 min，30 min，1 h)處理。時(shí)效后由于ω相的析出，合金彈性模量在90～105 GPa，較時(shí)效前顯著提高。在雙級(jí)時(shí)效的工藝參數(shù)選擇上要注意避免合金形成硬質(zhì)相ω。

2.2.3冷變形后再結(jié)晶退火

再結(jié)晶退火工藝是指通過(guò)控制變形和再結(jié)晶工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)再結(jié)晶晶粒的大小和體積分?jǐn)?shù)，以達(dá)到穩(wěn)定組織、消除或減小內(nèi)應(yīng)力和改善合金疲勞性能的目的。沈陽(yáng)金屬研究所[30]對(duì)Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金采用“冷變形+再結(jié)晶退火”工藝來(lái)改善合金的組織與性能，結(jié)果表明：冷軋70%的合金板材，700 ℃發(fā)生完全再結(jié)晶，得到細(xì)小的等軸晶組織，測(cè)得力學(xué)性能為σb=810 MPa，σ0.2=380 MPa，E=53 GPa，δ=15%，綜合力學(xué)性能優(yōu)良。

另外，冷軋變形后進(jìn)行再結(jié)晶退火是鈦合金顯微組織和織構(gòu)形成的關(guān)鍵過(guò)程之一，合理地控制再結(jié)晶退火后的合金顯微組織和織構(gòu)類型是改善鈦合金力學(xué)性能的重要途徑，因此對(duì)合金再結(jié)晶織構(gòu)的研究對(duì)改善合金的性能具有重大的實(shí)際意義。而目前對(duì)具有高強(qiáng)度和低彈性模量的生物醫(yī)用β鈦合金的冷變形后再結(jié)晶織構(gòu)的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。

3目前國(guó)內(nèi)研究存在的問(wèn)題及展望

我國(guó)是一個(gè)擁有約13億人口和6 000萬(wàn)殘疾人的大國(guó)。據(jù)民政部門報(bào)告：我國(guó)現(xiàn)有的肢體不自由患者已超過(guò)1 500萬(wàn)，其中殘肢者約800萬(wàn)，由類風(fēng)濕引發(fā)的大骨節(jié)病患者數(shù)百萬(wàn)，冠心病患者已超過(guò)1 000萬(wàn)，牙缺損和牙缺失患者高達(dá)3億，約占全國(guó)人口的1/4。此外，我國(guó)正步入老齡化社會(huì)，60歲以上的老年人口達(dá)1.39億，約占全國(guó)人口的10.69%，年老體衰不斷引發(fā)機(jī)體組織和器官的病變，需要及時(shí)治療[31-32]，為此要提供大量?jī)?yōu)質(zhì)的生物醫(yī)用材料及器件以供臨床診治的需要。我國(guó)在醫(yī)用種植體方面的研究起步較晚，目前人工關(guān)節(jié)近一半需要進(jìn)口，而牙科種植體更是90%以上使用進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格十分昂貴，普通工薪階層的百姓難以承受。因此，開(kāi)發(fā)無(wú)毒性、低彈性模量且價(jià)格低廉的新型植入用鈦合金是一個(gè)值得研究的課題。

迄今為止，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者們爭(zhēng)相對(duì)新型醫(yī)用鈦合金進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)了多種無(wú)毒并具有較低彈性模量的新型鈦合金。由目前的研究成果可知：最具有應(yīng)用潛力的新型鈦合金為Ti-Nb系合金。與其他體系β鈦合金相比，Ti-Nb系合金的彈性模量更低，更接近人骨的彈性模量，且不含有毒元素Al和V，是植入體的理想替代醫(yī)用金屬材料。但是現(xiàn)有的Ti-Nb系合金還存在一系列問(wèn)題，阻礙其替代傳統(tǒng)植入材料，例如：難以解決低彈性模量和高強(qiáng)度的矛盾(Ti-Nb系合金雖然彈性模量低，但是強(qiáng)度普遍不高)；生物醫(yī)用鈦合金的加工工藝并不成熟(Ti-Nb系合金難以進(jìn)行冷加工)；在加工過(guò)程中微觀組織的演變機(jī)理研究尚不完善(涉及Ti-Nb系合金的變形過(guò)程的研究偏少)等。這些問(wèn)題決定了生物醫(yī)用鈦合金下一步研究的動(dòng)向和趨勢(shì)：積極探索生物醫(yī)用鈦合金的新型設(shè)計(jì)方法，嘗試對(duì)新合金的加工工藝進(jìn)行改善并研究在加工過(guò)程中微觀組織(金相組織、缺陷和織構(gòu)等)及其力學(xué)性能的變化和機(jī)理等。研究上述問(wèn)題能為新型生物醫(yī)用鈦合金的發(fā)展提供試驗(yàn)依據(jù)，有著重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，可為新型醫(yī)用鈦合金的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯陳艷)

Present Status and Processing Methods of Novel β Titanium Alloys for Biomedical Applications

DAI Shi-juan1, 2, ZHU Yun-tian1, CHEN Feng2

(1.Nano Structural Materials Center, Nanjing University of Science & Technology,Nanjing 210094, China; 2.School of Materials Science & Technology,Southeast University, Nanjing 211102, China)

Abstract:A sketch of the development history of the biomedical titanium alloys was given and it divided it into Ti-Mo, Ti-Zr, Ti-Ta and Ti-Nb system based on alloy elements. The research status of the studied β titanium alloys was reviewed and the developments of Ti-Nb titanium alloys were introduced in detail. The plastic working and heat treatment of titanium alloys were summarized, and the problems were proposed for the studied β titanium alloys and the development trend was prospected for the new β titanium alloys. The analysis result shows that according to the needs of market and social development, the prospects for biomedical titanium alloys are cheerful and it is necessary to develop new β titanium alloys for clinical practice.

Key words:β titanium alloy; processing method; mechanical property

文章編號(hào)：1674-8425(2016)04-0027-08

中圖分類號(hào)：TG139

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.04.006

作者簡(jiǎn)介：戴世娟(1982—)，女，講師，主要從事納米結(jié)構(gòu)材料研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51005115)；江蘇省博士后科研資助計(jì)劃項(xiàng)目(1402008A)

收稿日期：2015-12-22

引用格式：戴世娟，朱運(yùn)田，陳鋒.新型醫(yī)用β鈦合金研究的發(fā)展現(xiàn)狀及加工方法[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(4):27-34.

Citation format：DAI Shi-juan, ZHU Yun-tian, CHEN Feng.Present Status and Processing Methods of Novel β Titanium Alloys for Biomedical Applications[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(4):27-34.