放电等离子烧结超细晶TNTZ医用钛合金的组织控制及力学与生物相容性研究

Ti-Nb-Ta-Zr系合金具有良好的力学和生物相容性，是目前最具有应用前景的人体替代与修复关键材料之一。本项目针对当前TNTZ钛合金研究和应用中存在的关键瓶颈问题，提出采用放电等离子烧结技术制备超细晶TNTZ钛合金的思路。利用SPS技术具有升降温速度快、烧结时间短、组织可控等特点，通过对粉末粒度、材料成分、制备工艺等参数的控制，获得具有超细晶组织的TNTZ钛合金，进而通过对材料力学、物理、化学与生物特性的深入研究，获得材料制备方法与超细晶组织形成与演变之间的内在关系以及超细晶组织对材料特性的影响机制。最终获得高致密度、组织均匀、综合性能优异的SPS烧结超细晶TNTZ医用钛合金的微观组织控制与优化方法。相关研究将丰富超细晶多元医用钛合金的基础理论，为实现钛合金结构优化、改善合金性能、开发新型生物医用超细晶钛合金及其制备技术提供解决方法与途径，对生物医用钛合金在临床上的普遍应用具有推动意义。

Ti-Nb-Ta-Zr 系合金具有良好的组织、力学与生物适配性，是目前最具有应用前景的人体替代与修复关键材料之一。本项目针对当前TNTZ 钛合金研究和应用中存在的关键问题，利用放电等离子烧结技术具有烧结时间短、致密度高、组织与结构可控等优点，提出将其作为该类合金新的制备方法，以解决和改善传统真空熔炼法制备多元β 型医用钛合金过程中容易出现的成分偏析、组织不均匀、熔炼过程复杂等瓶颈难题。项目采用放电等离子烧结技术制备了一系列Ti-Nb-Zr-X（Ta, Sn, Mo）多元医用钛合金，通过对其制备过程及组织控制、力学性能、物理与化学特性、生物相容性检测与评价的研究，获得了以下主要研究结果：（1）在球磨时间10h、烧结温度1050-1150℃、保温时间5-10min、烧结压力40MPa条件下，获得了具有超细晶组织的TNTZ 钛合金，合金可以获得98%以上的高致密度、较均匀的近β 型组织、低的压缩弹性模量（44-56 GPa）和高的抗压强度（1183-1358 MPa），弹性模量均较纯钛和TC4合金弹性模量（110GPa）有大幅下降，能够满足人体替代与植入材料对合金强度和弹性模量的要求；（2）放电等离子烧结制备的超细晶TNTZ 钛合金在人工模拟体液中具有良好的耐腐蚀性能，优于传统的纯钛和TC4合金医用材料；（3）通过在超细晶TNTZ 钛合金中添加适量的生物活性陶瓷进行复合化，可以显著提高合金的生物活性和成骨诱导能力，克服钛合金生物惰性的缺点，改善和提高医用钛合金植入体的骨结合能力。相关研究工作将丰富多元β 型医用钛合金的基础理论，为实现其结构与组织优化、改善合金的生物活性与骨结合能力、开发新型医用钛合金提供了解决方法与途径，对多元β 型医用钛合金在临床上的普遍应用具有推动意义。