钛及钛合金以良好的生物相容机能、力学机能和抗侵蚀机能在生物医用金属资猜中拥有其他资料无法比力的优势。钛及钛合金作为生物医用资料始于20世纪40年代初期
，Bothe等发现：相对于不锈钢和钻合金
，钛与骨之间无任何不良反映。随后将钛引入医学领域。到20世纪60年代
，Branemarkl2剖将钛合金用作口腔种植体
，从此钛作为外科植入资料得到了宽泛的发展。医用钛及其合金资料的利用依照钻研功夫的先后挨次大体分为3个阶段：第1阶段是以纯钛和Ti-6Al-4V(TC4)为代表的α型合金；
；；第2阶段是以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb为代表的无钒α+β型合金；
；；第3个阶段是拥有更好生物相容性和更低弹性模撞的β钛合金。

随着科技的进取
，人类社会对生物医用金属资料的要求不休提高
，纯钛、TC4和无钒仅+B型合金已经不能满足植入承载体的要求
，火急必要钻研以无毒和低弹性模量为重要特点的β钛合金。β钛合金从元素系统上可分为Ti-Mo系、Ti-zr系、Ti-Ta系和Ti-Nb系
，其中Ti-Nb系的钻研发展较多。

1、生物医用β钛合金的钻研近况

1.1Ti-Mo系

Mo元素是钛合金的β不变元素
，其增长有利于β钛合金的形成。与TC4相比
，Ti-Mo系合金拥有更高的拉伸强度、断裂韧性
，更好的耐磨损机能以及更低的弹性模量。为了设计新型的Ti-Mo系医用合金
，钻研人员对各类合金元素对Ti-Mo合金组织和机能影响进行了深刻的钻研。Zhang等钻研了增长Nb元素对β3Ti-15Mo合金的显微组织和力学机能的影响
，了局显示：随着Nb素的增长
，β晶粒尺寸减小
，硬度和弹性模量降低。Maeshimal等钻研了Sn含量和时效前提的变动对Ti-Mo-Sn系统超弹性的影响
，了局批注：经固溶 处置后
，Ti-5Mo-5Sn(at％)合金可达3.0％的超弹性应变；
；；该合金在600℃下时效5min后
，可达到3.5％的可回复应变。Maeshima等也钻研了Ti-Mo-Sn合金
，了局批注：肯定成分比的Ti-Mo-Sn合金可获得优良的状态影象效应
，可回复应变达3％以上。

表1为现有的部门Ti-Mo系β型钛合金的力学机能。由表1可知：固然一些Ti-Mo系合金拥有超弹性
，但也有一部门合金屈服强度较低
，如Ti-15Mo和Ti-2Mo-2Zr-3Al
，不能作为接受应力部位的植人资料；
；；别的
，部门合金含有有毒元素Al
，如Ti-15Mo-5Zr-3Al和Ti-2Mo-2Zr-3Al
，导致合金的生物相容性较差。

1.2Ti-Zr系

Ti-zr系的代表合金为Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0.2Pd合金
，该合金经时效后其抗拉强度、屈服强度和弹性模量别离为919MPa
，806MPa和99GPa。与Ti-Mo系合金相比
，该合金的弹性模量显著偏高
，而强度却偏低
，因而发展潜力不大。

1.3Ti-Ta系

Ta的价值昂贵
，并且其熔点很高(3273K)
，加工熔炼较难题
，因而目前Ti-Ta系的β钛合金钻研较少。Zhou等。钻研了Ta含量对生物医用二元Ti-Ta合金的弹性模量和拉伸机能的影响
，了局批注：Ti-30Ta和Ti-70Ta拥有较低的弹性模量和较高的强度。固然该系统合金综合机能较好
，但加工难题
，钻研和利用领域受限。

1.4Ti-Nb系

近年来
，美国和日本都致力于研发拥有较低弹性模量的Ti-Nb系合金。如美国开发的Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr
，其固溶态弹性模量达到了55GPa
，与人体致密骨的弹性模量极度靠近。日本丰桥技术大学的Niinomi等利用的电子合金设计理论
，成功地设计了Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金
，该合金固溶态的弹性模量约为65GPa
，强度达550～650MPa
，力学机能较好。我国在新型β钛合金的钻研方面也有重大突破
，由中科院金属所研制的Ti-24Nb-4Zr-7.5Sn
，在固溶状态下的弹性模量达到了52GPa【12]
，有潜力成为拥有竞争力的

新型生物医用钛合金。表2列出了目前拥有代表性的Ti-Nb系合金的力学机能
，能够看出：与其他系统B钛合金相比
，Ti-Nb系合金的弹性模量较低
，更靠近人骨的弹性模量
，并且不含有毒元素Al和V
，适合作为医用金属资料。

到目前为止
，除了力学机能之外
，国内外的钻研人员对该系统合金在各类工艺处置后的显微组织、相变过程和所具备的特殊机能也极度关注。依照所增长的合金元素的分歧可分为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系统

肯定配比的Ti-Nb-Sn系合金拥有较好的超弹性。文件[13]钻研了掺杂4％～5％(质量分数)sn的Ti-16Nb合金的马氏体相变及拉伸机能
，了局批注：sn量的增长能够使马氏体转变温度迅速降落
，并且含sn量越高
，越能够获得较大的超弹性应变。文件[14]通过室温下拉伸试验钻研了Ti-14Nb-4Sn和Ti-16Nb-4Sn合金的超弹性
，了局发现：铸造态和400℃冰水淬火态的Ti-16Nb-4Sn合金超弹性优良
，通过4％变形量循环拉伸3次即可获得齐全的超弹性；
；；而400℃冰水淬火态的Ti-14Nb-4Sn合金通过3％变形量循环拉伸2次即可齐全回复。

别的
，经有关工艺处置后的该系统合金的弹性模量较靠近人骨。Ozaki等钻研了冷轧并经后续热处置的Ti．35Nb-4Sn合金的弹性模量和抗拉强度
，了局批注：合金沿轧制方向的弹性模量降低、抗拉强度提高；
；；经过冷轧处置的合金的主相是仅α”+β相
，其弹性模量比力靠近人骨的弹性模量
，约为42GPa
，但是该合金的强度较低
，为600~800MPa。

1.4.2Ti-Nb-Ta系统

Ti-Nb-Ta系统为Ti-Nb系β钛合金中钻研较宽泛的一种
，国内外的钻研学者比力关注的是该系统合金的显微组织和力学机能。文件[16]钻研了三元合金Ti-(13～26)Nb-(22～38)Ta
，了局批注：合金的相变对合金的成分和冷却速度很敏感。该合金水淬后
，在β相基体上可形成α”相；
；；空冷后
，可形成藐小的相和(1)相。随着Nb+Ta含量的增长
，马氏体的体积分数降落。别的
，有钻研批注：该系统合金拥有超弹性和较低的弹性模量。文件[17]的钻研了局批注：Ti-25Ta-25Nb合金经过适当的热机械处置后拥有肯定的超弹性并可获得较低的弹性模量(55GPa)。

1.4.3Ti-Nb-Zr-Ta系统

Ti-Nb-Zr-Ta系统属于四元合金系统
，合金元素种类较多
，并且大多拥有肯定的β不变能力
，因而当合金元素含量较高时
，该系统合金有利于获得齐全的β相组织。例如：文件[16]在钻研了三元合金Ti-(13～26)Nb-(22～38)Ta的同时
，还向该合金中参与了Zr元素
，钻研了Ti-(13～35.5)Nb-(5～22)Ta-(4~7.2)Zr的四元合金
，了局批注：参与元素Zr后可起到不变β相、降低马氏体的转变温度和克制ω 相形成的作用。

1.4.4Ti-Nb-Zr-Sn系统

与Ti-Nb-Zr-Ta系类似
，Ti-Nb-Zr-Sn系统的合金通常在水淬后可获得较高含量的β相
，并且拥有较低的弹性模量。例如文件[18]钻研了四元合金Ti-(20～26)Nb一(2～8)Zr一(3.5～11.5)Sn
，了局批注：Ti-24Nb-4Zr-7.5Sn合金水淬后由单一的13相组成
，在室温前提下可获得2％的可回复弹性应变
，并可获得较低的弹性模量(52GPa)。

1.4.5其他系统 

除上述4个别系外
，还有一些合金因拥有优良的力学机能得到了钻研人员的关注。Tavares等钻研了Ti-Nb-Si系统医用合金
，了局显示：微量Si的参与可有效克制ω相的析出
，并能不变β相和细化晶粒。随着Si含量的增长
，固溶强化效应和硬度增长
，并且由于硬脆相ω相的隐没
，弹性模量显著降低。Ti-35Nb-0.15Si合金的弹性模量为65GPa
，较靠近人骨
，拥有较大的利用潜力。Guo等设计了Ti-30Nb-1Mo-4Sn医用合金。由于马氏体相的存在
，该合金经固溶处置后屈服强度较低(约莫130MPa)
，但经过冷轧和退火处置 后
，合金弹性模量低至45GPa
，而抗拉强度高至1GPa
，可作为梦想的医用植入资料。

2、生物医用β钛合金的塑性加工和热处置工艺

2.1塑性加工

目前
，对β钛合金的塑性加工重要有拉拔和冷轧2种步骤。

1)拉拔

拉拔又称拉伸、拉制
，是塑性加工钛材的常用步骤之一。重要步骤是拉伸成形
，即金属坯料在拉拔力的作用下
，通过横截面积逐步减小的拉伸？？
，获得与？？壮叽、状态一样的制品的金属塑性成形步骤。对于钛合金
，如冷拉拔有难题
，也可选取温拉拔。

WangLiqiang等钻研了Ti-Nb-zr系钛合金的冷拔组织与机能。该合金冷拔后未见α”相
，20％冷拔后有孪晶出现。当形变率达到80％时
，得到比力优异的力学机能
，抗拉强度大于1.17GPa
，延长率大于10％。

2)冷轧

冷轧是钛材塑性加工的重要工艺
，通过冷轧能够获得各类板带箔材
，是目前最经济实用的塑性加工伎俩。冷轧变形可使钛材产生加工硬化
，从而提高合金的强度。别的
，肯定的冷轧变形还会导致冷轧织构的形成。Ozaki等钻研了冷变形及热处置对Ti-35Nb-4Sn合金组织与机能的影响
，钻研批注：该合金经过89％冷轧后
，由于出现了显著的<110>丝织构
，在冷轧方向上的弹性模量只有43GPa
，经低温时效(250～300℃)处置后
，合金的强度大幅度提高
，但是由于在时效过程中有ω相的析出
，导致合金的弹性模量也有较大 幅度的提高。别的
，MA等钻研了α+β型的Ti-10V-4.5Fe-1.5Al的冷轧变形行为及织构变动
，该合金在60％冷轧变形后得到的β相织构为{015}<100>
，{001}<210>
，{112}<110>
，{001}<130>和{113}<332>。到目前为止
，对于生物β型钛合金的冷变形织构的钻研还极度有限
，需进一步索求。

钛合金在冷轧变形过程中还可能伴随相变过程
，如北京科技大学曾钻研了Ti-35Nb-5Ta-7Zr的冷轧变形特点
，发现该合金固溶态出现了少量α”相
，经90％冷轧变形后”相隐没
，但产生了少量应力诱发ω相。冷轧过程中
，钛合金的力学机能随着合金组织的变动而变动
，其中蕴含位错、孪晶、亚结构等微观组织。目前
，对于该方面的钻研
，以纯钛作为钻研对象较多
，对其变形机制的钻研也较为系统
，但对于生物医用β钛合金的钻研较少。郭文渊等钻研了Ti-35Nb-5Ta-7Zr冷轧过程中微观组织的变动
，SINGH等对TNTZO合金(Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-O)的冷变形机理进行了钻研。但对于新型β钛合金来讲
，其冷变形及变形过程中微观组织的变动机理的钻研尚需美满。

通过以上分析可知：对新型β钛合金进行冷轧变形
，并系统深刻地探求其变形机制、微观组织及织构的演变
，可为拥有优异机能的β钛合金的制备提供重要的领导作用。

2.2热处置工艺

为了改善钛合金的机能
，除了合金化、塑性变形外
，还可进行适当的热处置。钛合金的相变道理是钛合金热处置的理论基础。钛合金能进行的热处置类型较多
，如固溶、时效和再结晶退火等。

2.2.1固溶

由于固溶处置温度较高
，导致合金氧化比力严重
，因而在热透的前提下应尽可能缩短保温功夫。通常情况下
，固溶保温功夫可按经验公式推算：

T=(5～8)+AD(1)

式中：T为保温功夫(min)；
；；A为保温功夫系数(3min／mm)；
；；D为工作有效厚度(mm)。

对于亚稳β钛合金
，经急剧冷却能得到室温单一亚稳β相。将合金加热到温度
，由于温度低于相变点
，β相自由能比相高(见图1)
，所以亚稳β相有向仅相转变的趋向。由于能量升沉和结构升沉的作用
，在升沉点上首先形成仅相晶核
，随着晶核的长大
，合金元素从相中被倾轧出来
，在其周围形成合金元素含量较高的区域。随着相周围合金元素逐步增长
，亚稳β相逐步不变
，当合金元素达到平衡组成时
，β相不再产生相变而保留下来。自此
，相变过程根基实现
，此即为钛合金的时效道理。

由于弥散相α的析出
，通过期效工艺可使合金的强度大幅度提高
，但同时也会造成弹性模量的上升和塑性的降落。例如日本学者1998年利用d电子合金设计理论设计的Ti-29Nb-13Ta-4。6Zr合金
，在固溶处置后合金的弹性模量只有50GPa
，但其抗拉强度也较低(550MPa)
，时效后由于相的析出导致强度大幅度上升(930MPa)
，但弹性模量也同步上升(80GPa)。

2.2.2双级时效

双级时效就是对固溶处置后的合金在分歧温度进行两次时效处置
，即先低温预时效
，而后在高温进行时效。双级时效处置工艺目前重要利用在铝合金领域。在较低温度进行预时效
，主张在于在合金中获得高密度的GP区
，由于GP区通常是均匀成核的
，当其达到肯定尺寸后
，就能够成为随后沉淀相的主题
，之后在稍高温度下维持一按功夫进行最终时效。

目前钛合金的双级时效工艺利用较少
，重要在航空航天领域。例如申请号为200810232780.7的专利涉及一种提高冷成型β钛合金时效后塑性的热处置工艺
，对航空航天领域使用的Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al合金选取冷变形和双级时效工艺。制备工艺为：①将TB3合金在820~C固溶后空冷
，室温下经过5％～30％冷变形；
；；②将冷变形后的试样在正常的时效温度(500℃)下保温2h；
；；③将时效温度提高到550℃
，再保温1h。经过该工艺处置后
，合金可获得优异的力学机能
，抗拉强度达到1.2GPa
，延长率在13％以上。

对生物医用钛合金而言
，关于选取双级时效工艺提高钛合金综合力学机能的专利和论著越发少见。2011年4月巴西学者钻研了双级时效工艺对Ti-30Nb合金组织和机能的影响
，选取的工艺为：①真空电弧熔炼；
；；②1000℃×12h均匀化热处置；
；；③900℃热轧；
；；④1000％×1h固溶处置(⑤) 260℃×(1min
，2h
，4h)+400℃×(1min
，20min
，30min
，1h)处置。时效后由于ω相的析出
，合金弹性模量在90～105GPa
，较时效前显著提高。在双级时效的工艺参数选择上要把稳预防合金形成硬质相ω。

2.2.3冷变形后再结晶退火

再结晶退火工艺是指通过节制变形和再结晶工艺参数
，调节再结晶晶粒的巨细和体积分数
，以达到不变组织、解除或减小内应力和改善合金委顿机能的主张。沈阳金属钻研所们对Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金选取“冷变形+再结晶退火”工艺来改善合金的组织与机能
，了局批注：冷轧70％的合金板材
，700℃产生齐全再结晶
，得到藐小的等轴晶组织
，测得力学机能为σ_b=810MPa
，σ_0.2=380MPa
，E=53GPa
，δ=15％
，综合力学机能良好。

别的
，冷轧变形后进行再结晶退火是钛合金显微组织和织构形成的关键过程之一
，合理地节制再结晶退火后的合金显微组织和织构类型是改善钛合金力学机能的重要蹊径
，因而对合金再结晶织构的钻研对改善合金的机能拥有重大的现实意思。而目前对拥有高强度和低弹性模量的生物医用β钛合金的冷变形后再结晶织构的钻研还鲜见报道。

3、目前国内钻研存在的问题及瞻望

我国是一个占有约13亿人丁和6000万残疾人的大国。据民政部门汇报：我国现有的肢体不自由患者已超过1500万
，其中残肢者约800万
，由类风湿引发的大骨节病患者数百万
，冠心病患者已超过1000万
，牙缺损和牙缺失患者高达3亿
，约占全国人丁的1/4。此外
，我国正步人老龄化社会
，60岁以上的老年人丁达1.39亿
，约占全国人丁的10.69％
，大哥体衰不休引发机体组织和器官的病变
，必要实时医治
，为此要提供大量优质的生物医用资料及器件以供临床诊治的必要。我国在医用种植体方面的钻研起步较晚
，目前人为关节近一半必要进口
，而牙科种植体更是90％以上使用进口产品
，价值极度昂贵
，通常工薪阶级的苍生难以接受。因而
，开发无毒性、低弹性模量且价值便宜的新型植入用钛合金是一个值得钻研的课题。

迄今为止
，国内外的钻研学者们争相对新型医用钛合金进行深刻钻研
，设计了多种无毒并拥有较低弹性模量的新型钛合金。由目前的钻研成就可知：最拥有利用潜力的新型钛合金为Ti-Nb系合金。与其他系统β钛合金相比
，Ti-Nb系合金的弹性模量更低
，更靠近人骨的弹性模量
，且不含有毒元素Al和V
，是植人体的梦想代替医用金属资料。但是现有的Ti-Nb合金还存在一系列问题
，故障其代替传统植入资料
，例如：难以解决低弹性模量和高强度的矛盾(Ti-Nb系合金固然弹性模量低
，但是强度普遍不高)；
；；生物医用钛合金的加工 工艺并不成熟(Ti-Nb系合金难以进行冷加工)；
；；在加工过程中微观组织的演变机理钻研尚不美满(涉及Ti-Nb合金的变形过程的钻研偏少)等。

这些问题决定了生物医用钛合金下一步钻研的动向和趋向：积极索求生物医用钛合金的新型设计步骤
，尝试对新合金的加工工艺进行改善并钻研在加工过程中微观组织(金相组织、缺点和织构等)及其力学机能的变动和机理等。钻研上述问题能为新型生物医用钛合金的发展提供试验凭据
，有着重要的科学价值和现实意思
，可为新型医用钛合金的利用奠定理论基础。

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