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。