Ti-Nb-Zr-Cr生物钛合金互扩散系数和杨氏模量高通量研究及其在合金设计中的应用

Due to the low elastic modulus and super-elastic characteristics, biomedical Ti-base alloys have been attracted considerable attentions. It is well known that interdiffusion can determine the microstructure evolution of the materials, and Young's modulus is an important factor to design the high-performance biomaterials. Therefore, knowledge of interdiffusivity and Young's modulus is the key to the process parameter optimization and bio-alloy design. The present proposal intends to select the Ti-Nb-Zr-Cr alloys as the target, and the following researches are to be performed: 1) design and prepare the quaternary single-phase diffusion couples over the wide composition ranges of this system based on CALPHAD (CALculation of PHAse Diagram) approach, and determine numerous composition-dependent interdiffusivity matrixes in quaternary diffusion couples by using the pragmatic numerical inverse method; 2) obtain the composition-dependent Young's modulus of the diffusion couples via the nanoindentation technique; 3) design the high performance alloys with the basis of the present data on interdiffusivity and Young's modulus, and then validate by the key experiments (i.e., electrochemical frictional wear). It is highly expected that the completion of this project will lay a basis of theoretical importance for the design of Ti-Nb-Zr-Cr metallic biomaterials, and provide a scientific method for the design of alloy composition for other high-performance metallic biomaterials.

生物医用钛合金因其较低的弹性模量和超弹性等特性受到了广泛的关注。众所周知，材料的互扩散决定其微观组织演变，而杨氏模量是高性能生物材料设计的重要依据。因此，掌握材料的互扩散系数和杨氏模量信息是生物医用材料合金设计和工艺优化的关键。本项目拟以Ti-Nb-Zr-Cr生物医用钛合金为研究对象开展如下研究：1）基于相图计算设计制备富Ti端宽广成分范围的四元单相扩散偶，并采用实用高效数值回归方法高效测定扩散偶上随成分变化的互扩散系数；2）采用纳米压痕技术获取扩散偶上随成分变化的杨氏模量数据；3）基于互扩散系数和杨氏模量数据，设计具有最佳性能的合金成分，并结合电化学摩擦磨损等关键实验进行验证。项目的完成可望为Ti-Nb-Zr-Cr体系生物金属材料的开发设计奠定理论基础，并为其它高性能生物金属材料的成分设计提供一种可借鉴的科学方法。

针对Ti-Nb-Zr-Cr体系富Ti端合金缺乏互扩散系数和杨氏模量等数据的研究现状，本项目集成相图计算方法、关键扩散偶实验、电子探针分析和纳米压痕检测等理论和实验方法开展了如下研究工作：（1）基于文献报道的Ti-Nb-Zr-Cr体系相图热力学确定了该合金体系的体心立方单相区，设计制备了宽广成分范围的Ti-Nb-Zr、Ti-Nb-Cr、Ti-Zr-Cr和Ti-Nb-Zr-Cr等三元和四元扩散偶；（2）采用电子探针分析多元扩散偶的成分梯度，通过Matano-Kirkaldy方法计算出Ti-Nb-Zr和Ti-Nb-Cr合金的三元互扩散系数；（3）基于文献报道的Ti-Nb-Zr-Cr体系热力学参数、边际二元系扩散信息和本项目所得到的实测三元互扩散系数等，优化原子移动性参数进而构建Ti-Nb-Zr-Cr体系体心立方相扩散动力学数据库，并计算出Ti-Nb-Zr、Ti-Nb-Cr和Ti-Nb-Zr-Cr等体系富Ti端合金在1000℃的互扩散系数；（4）借助纳米压痕检测实验测定出Ti-Nb-Zr、Ti-Nb-Cr和Ti-Nb-Zr-Cr等三元和四元扩散偶上随成分变化的杨氏模量和硬度等力学性能数据，采用相图计算方法建立Ti-Nb-Zr-Cr体系体心立方相杨氏模量数据库，再基于数据库设计出一款低模量Ti-22.6Nb-30Zr-3.8Cr合金，并得到成骨细胞相容性等关键实验的初步验证；（5）在完成以上既定研究工作之外，对Ti-Nb-Zr-(Mo, Ta)合金力学性能开展了高通量实验测定，高效建立了“合金成分-杨氏模量-硬度-弹性回复-耐磨性”的关系。以上研究工作的完成为高性能生物钛合金成分设计提供关键的扩散和力学等数据并扩大相图计算方法的应用领域。在国内外刊物上发表本项目资助号论文10篇（其中SCI收录论文9篇），获得发明专利授权1项，5人次参加国内外会议，培养硕士研究生2名，圆满完成了计划书的预期成果考核指标要求。