论文摘要
β钛合金所具有的低模量,高强度,优良的耐腐蚀性能,以及良好的生物相容性等优点,使其在身体植入等医用材料领域具有广泛的应用前景。近年来,日本丰田中央研究院通过在β钛合金中添加少量的氧（>0.7at%）,制得了一种多功能新型β钛合金-橡胶合金（Gum Metal）。除具备高强度与低弹性模量外,合金具有优异的冷加工性能,冷加工后没有明显的加工硬化现象。Saito等研究了Gum Metal合金的冷变形特点,提出了橡胶合金具有非位错型塑性变形机制的假说,试图解释橡胶合金的优异性能。但是由于在橡胶合金中观察到了传统的位错变形机制,这种理论受到了挑战。相较于普通合金而言,橡胶合金具有较高的氧含量,且随着氧含量的增加,合金的性能发生了明显的改变。因此,氧元素对β钛合金的可能产生的影响逐渐引起了研究者的关注。本文利用真空自耗电弧炉熔炼工艺制备了化学成分均匀的Ti-22.5Nb-0.7Ta -2Zr（at.%）合金,然后通过添加TiO2控制氧含量（0.5-2.5%）,研究了氧含量对Ti-22.5Nb-0.7Ta-2Zr合金的组织与力学性能的影响,结果表明:当氧含量低于2.0%时,随着氧含量的增加,合金组织获得细化;随着氧含量的增加,合金的极限抗拉强度增加,塑性下降。氧含量低于1.5%时,含氧合金的弹性模量保持在一个相对较低的水平（<65GPa）,高于该氧含量,弹性模量急剧增加。需要指出的是,Ti-22.5Nb-0.7Zr-2Ta-1O合金具有和Ti-22.5Nb-0.7Zr-2Ta合金几乎相同的高延伸率（17.8%）,以及更高的抗拉强度（750MPa）和较低的弹性模量（<65GPa）,同时保持原始合金的韧性断裂方式和超弹性特征,说明通过摩尔分数1.0%氧元素的添加,可以改善合金的组织与综合力学性能。为了进一步改善合金的性能,通过固溶+时效的热处理方式,并改变时效温度,对Ti-22.5Nb-0.7Zr-2Ta-1O合金进行热处理。结果表明:在450℃时效处理可以获得最为优化的组织,良好的综合力学性能（抗拉强度821.55 MPa,延伸率6.2%）,以及超低的弹性模量（55.29GPa）,实现了对生物钛合金高强度与低模量的诉求。由于氧元素不具有生物毒性,通过与纯钛、TC4的对比实验,研究了Ti-Nb-Ta-Zr合金的生物相容性。结果表明:Ti-Nb-Ta-Zr合金生物相容性良好,且在热阳极氧化处理后可获得粗糙微孔表面,证明材料除具备优良的理化性能外,在生物相容性方面同样具有作为体内植入材料投入临床应用的潜力与开发价值。