基于共晶反应的新型NiTi-Nb多孔金属可控制备及力学行为研究

Owing to its excellent superelasticity, low stiffness and good biocompatibility, porous NiTi metal is widely used in the field of surgical implants. In order to solve the problem of low strength and uncontrollable pore structure of porous NiTi metal, this project applies vacuum sintering reaction to braze NiTi wires with mixed NiTi and Nb powders to obtain porous metal containing NiTi-Nb eutectic node with high strength and regular pore structure. Therefore, optimized sintering process is achieved. The project will also study the relationship between microstructure and mechanical behavior of NiTi-Nb eutectic node in the transition zone. Based on it, the structural parameters such porosity, size, and morphology of pores are analyzed systematically to conclude the relationship between structure parameters and mechanical performance of porous metal. In addition, the static compressive behavior of porous NiTi-Nb metal is carried out to realize the deformation and fracture mechanisms in the different areas (eutectic node, transition zone and NiTi wire) and such the effect factors of deformation mechanism for porous metal are fully discussed. Depending on the experimental results above, constitutive equations and prediction models of mechanical properties for porous NiTi-Nb metal are optimized. Overall, the project is aimed at realizing preparation of high strength porous NiTi-Nb metal and providing experimental and theoretical support for this kind of porous metal with wide developing future.

NiTi多孔金属以其优良的超弹性、低刚度和良好的生物相容性，广泛应用外科植入物领域。针对目前NiTi多孔金属强度低、孔结构不可精确控制的难题。本项目通过NiTi丝和NiTi+Nb混合粉末的真空烧结反应，获得含有高强度NiTi-Nb共晶结点且具有规则孔隙结构的多孔金属，优化烧结制备工艺。研究NiTi-Nb共晶结点成分过渡区微观组织与力学行为之间的内在关系；在此基础上，通过孔隙率、孔径大小、孔隙形貌等结构参数的调控研究，揭示其对多孔金属力学性能影响规律；通过NiTi-Nb多孔金属静态压缩力学行为研究，阐明不同结构特征区(共晶结点、过渡区、NiTi丝)的形变和断裂机制及其与多孔材料整体变形的协同作用机制；基于实验研究结果，建立NiTi-Nb多孔金属本构方程和力学性能预测模型。实现高强度NiTi-Nb多孔金属的可控制备，为这类具有广阔发展前景的多孔金属提供实验和理论支撑。

NiTi多孔金属以其优良的超弹性、低刚度和良好的生物相容性，广泛应用外科植入物领域。针对目前NiTi多孔金属强度低、孔结构不可精确控制的难题。本项目采用真空烧结技术和激光选区融化等技术制备多孔高性能NiTiNb合金，优化制备工艺，获得具有350MPa 高强度，孔隙率为87.5％的多孔NiTi-Nb支架，研究其力学性能发现该多孔NiTi-Nb支架在压缩过程中具有完全的超弹性，大大提高形状记忆的恢复率。通过研究NiTi-Nb共晶结点成分过渡区微观组织与力学行为之间的内在关系，发现Ti丝区域附近存在大量的马氏体，周围有许多富Nb相和TiNb相。微晶的出现和堆垛层错有利于共晶转变的发生。此外，在与Ti线相邻的共晶区域中，大量的Ti元素的存在是导致共晶区域附近的析出相增加的重要原因。另外，利用 激光选取熔化（SLM） 技术成形 NiTiNb 块体及桁架试样，探究不同状态、不同热处理温度、不同孔径和丝径比的试样的微观组织及力学性能差异。通过对比不同孔径和丝径比、不同热处理温度的桁架样品的力学性能曲线，研究不同孔径和丝径比、不同热处理温度对材料力学性能及应变回复的影响规律。桁架多孔压缩显示孔径和丝径比为 3.5:8 的样品具有更优异的超弹性回复和应变回复百分比，具体分别为 1.8%和 67.7%。当退火温度 850℃，保温 1h 后，该热处理方式更有利于去除样品内部残余应力而使样品具有更优异的力学性能，经 850℃退火处理后，样品超弹性回复应变为 2.2%，应变回复百分比为 74.0%。研究发现NiTiNb 共晶界面的取向关系为(100) β-Nb // (011) B2 和 [011_] β-Nb // [011_]B2。位错同时在析出的 β-Nb 相内部和周围开动，交织并形成钉扎。位错和堆垛层错加速了变形过程中的晶格畸变，导致大量的晶格缺陷存在于基体中，这意味着堆垛层错和位错活动在晶格变形中起主要作用。本项目对实现高强度NiTi-Nb多孔金属的可控制备具有借鉴意义，为这类具有广阔发展前景的多孔金属提供实验和理论支撑。