钛合金-开题报告
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目的：提高生物医用钛合金的可靠性
成分
组织
性能
通过向金属Ti 中添加具有β 相稳定性和耐 腐蚀性的Zr、 Mo等对人体 无毒合金元素；
应用CR和 ARB合金加工 工艺，细化晶 粒度，优化组 织结构；
以期提高SMA 生物相容性， 提高SE的。最 终实现提高生 物医用钛合金 可靠性的目的。
CR:Cold Rolling; ARB: Accumulative roll bonding
欧美
日本
中国
Ti13Nb13Zr Ti35Nb7Zr5Ta Ti12Mo6Zr2Fe Ti15Nb、 Ti35.3Nb5.1Ta7.1Zr
Ti29Nb13Ta4.6Zr Ti30Nb10Ta5Zr Ti35Nb10Ta5Zr Ti-Ta
Ti55Ta9Zr（厦大） Ti12.5Zr2.5Nb2.5Ta（西北 有色金属研究院） Ti-Co-Ta(中南) Ti-Zr(北航)
1.2 应用中出现的问题
1. 合金释放有毒离子毒害人体细胞
临床观察证实应用比较广泛的Ti6Al4V、Ti-Ni合金植入人 体酸性环境后会释放出对细胞具有严重危害的Al、Ni、V阳 离子，直接危害患者生命健康。
AL
Ni V
影响脑细胞功能，导致记忆力下降，思维 能力迟钝。据研究老年痴呆症患者脑中铝 含量为正常人近5倍。 使心、脑、肺、肝和肾功能衰退；使核糖 核酸或脱氧核糖核酸复制失真，引起突变， 从而增加癌症发病率。 可引起呼吸系统、神经系统、肠胃系统、 造血系统的损害；降低人体的抵抗外界压 力、毒素及致癌物的能力；甚至致死。
1.2 应用中出现的问题
2. “应力屏蔽”现象导致的植入失效
弹性模量 差异 受力传递 不均匀 植入 失效
生物排异反应可以用药物控制；物理排异反应无 法用药物控制！
1.3 国内外SMA研究现状
1. 向Ti 中添加Ta、Mo、Nb、Zr等替代Al、Ni、V等对 人体有毒的合金元素，通过调整合金元素配比使合金材料 具有更佳的SME和SE。
β
Ti68Zr30Mo2，X200倍
β
β β
Ti66Zr30Mo4，X200倍 Ti65Zr30Mo5，X200倍
Ti67Zr30Mo3，X200倍
3.4 合金相组成的XRD测定
Ti-Zr-Mo系合金相组成随Mo含量的变化
3.5 铸态合金维氏硬度
αBiblioteka Baidu β ά β ά+β β+ω
Ti68Zr30Mo2 Ti67Zr30Mo3 Ti70Zr30 Ti69Zr30Mo1
研究方法和创新点
工艺流程
合金冶炼 冷轧成型 ARB轧制 性能表征
成分创新
加工工艺创新
1. Ti-Zr系合金是SMA研究的新领域，具有潜在的SME和SE和广阔 的应用前景； 2. Accumulative Roll Bonding(ARB)与CR(Cold Rolling)相比可 以进一步细化晶粒，极大地改善合金的机械系能。
2. 超(伪) 弹性SE
应变诱导马氏体相变产生的超弹性行为使合金具有比普通刚性材料更 低的弹性模量！特别是钛合金具有远低于不锈钢的弹性模量。
[1] Niinomi M, et al., Metall Mater Trans A, 2002, 33(4): 77-86
1.1 SMA医学应用和发展趋势
[1]李红梅，雷霆，方树明，黄光明.生物医用钛合金的研究进展[J].金属功能材料，2011,18(2):70~73
1.3 国内外SMA的研究现状
2. 优化组织结构，降低合金固有弹性模量；提高亚稳 态β相含量，增加应变诱导马氏体相变的敏感性，提高SE， 避免仿生组织植入人体时因“应力屏蔽”导致失效。
神奇的SME效果和优异的SE行为使钛合金作为仿生材料在医学应用 中发挥了巨大作用——仿生材料制成的人体替换组织不依赖于器官的活体 移植，应用范围非常广阔，极大地提高了医疗范围和患者康复率、生存率！
1.1 SMA医学应用和发展趋势
医疗水平的提高对新仿生材料提出更高 的要求。
促进
科技 健康
要求
人口增长及老龄化加速带来的心脑血 管疾病和骨科疾病剧增；
国策
国计民生 人民健康
“十二五”重大 科技专项——
重点加强生物医用 钛合金工程材料的 研究开发和产业化 发展。
1.2 应用中出现的问题
由仿生材料应用导致的金属污染和功能失效时刻危害着 患者的生命健康。突出问题有两个：1. 植入合金释放对人体 细胞有毒离子；2. “应力屏蔽”导致仿生材料植入失效。
[1] 任伊宾, 杨柯, 梁勇. 医用金属材料中的镍危害[J]. 生物医学工程学杂志, 2005,22(5): 1067-1069. [2] H. Matsumoto, et al., J. Materials Transactions, 2005, 46: 1070-1078.
本 质：
β
降温/应变
α
升温 马氏体 奥氏体 应用范围：航空航天、生物医疗、机械电子、汽车工业和 日常生活等多个领域。
[1] 李军. 稀有金属材料与工程, 2003, 32(5): 398~402.
1.1 SMA医学应用和发展趋势
1. 形状记 忆效应 SME
(a)预压缩 (b)受热扩张后 (c)植入腔道内效果
三. 已完成工作 3.1 合金成分配比及熔炼
以提高应变诱导马氏体相变的敏感性为目的，以合 金平均价电子常数e/a为参考，合金元素的配比基于d电 子轨道理论，并对其铸态合金相组成做出了预测：
合金配比参数及相组成预测
元素/at.% Ti70Zr30 Ti69Zr30Mo1 Ti68Zr30Mo2 Ti67Zr30Mo3 Ti/g Zr/g Mo/g 0 Bo Md e/a 预测相 4 α α 16.51287 13.48713 2.879 2.593
Ti-Zr-Mo系合金硬度随Mo含量变化
Ti66Zr30Mo4 Ti65Zr30Mo5
结论：1. Mo含量小于1%时主要起固溶强化作用；随着Mo含量增加，合金 由单一ά相转变为β相，证明Mo对钛合金β相具有强烈的稳定作用。 2. Ti68Zr30Mo2(at.%)维氏硬度突降和压痕周围应变诱导马氏体孪晶的出现证 明亚稳态β相对应变应变诱导马氏体的敏感性更高，约2%的Mo对合金的 SME和SE影响效果明显，是下一步研究计划的重点
进度安排
2012.03—2012.06 通过实验确定最佳成分、工艺
2012.07—2012.09 整理实验数据，撰写科技论文
2012.09—2012.12 调整实验参数，拓展研究内容
2013.01—2013.06 撰写毕业论文，准备答辩
LOGO
LOGO
报告人：李永亮 导 师：林建国 教授 专 业：材料科学与工程
主要内容
一.选题背景 二.研究内容
三.已完成工作 四.下一步工作 五.致谢
一. 选 题 背 景
引例： 用形状记忆合金制成的花苞受温度影响后的变化情况
室温-花苞
加热-绽放
冷至室温-花苞
再次加热-绽放
拥有“大脑”的合金
Yes, I can also remember
形状记忆合金( Shape Memory Alloy, SMA)
特 点：1、形状记忆效果 （Shape Memory Effect，简 称SME）：具有热弹性或应力诱导马氏体相变特征的材 料在进行一定限度的变形后，经随后的加热到一定温度 时，材料能完全、部分恢复到变形前的形状和体积的现 象。 2、超弹性（ Superelasticity，简称SE）：材料 在外力作用下产生远超过弹性极限应变量的应变，而且 卸载时应变可恢复到原来状态的现象。
四. 下一步工作计划
1、调整合金成分，确定最佳最佳合金成分配比；
2、采用真空电弧炉熔炼合金，对合金铸态机械性
能进行表征(XRD、SEM等)；
3、采用CR/ARB工艺冷轧合金，对轧后合金机械
性能进行表征，探讨轧制工艺对机械性能的影响；
4、对ARB工艺冷轧后的合金进行快速时效处理，
探讨热处理对合金机械性能的影响。
15.09255 13.07412 1.83333 2.890 2.574 4.08
14.7504 12.97479 2.27427 2.890 2.569 4.10
3.2 合金成分配比及熔炼
Ar保护非自耗熔炉
3.3 金相组织随成分的变化
ά ά
Ti70Zr30，X200倍
ά
Ti69Zr30Mo1，X200倍
[1] Y L Zhou et al., Materials Science and Enginieering A. 2004,371: 283-290 [2] L Q Wang et al., Journal of Alloys and Compounds. 2009, 469: 512-518
二. 本课题研究内容
16.14945 13.38144 0.46911 2.882 2.588 4.02 15.79167 13.2774 0.93093 2.884 2.583 4.04
α
α α α
15.43941 13.17498 1.38561 2.887 2.579 4.06
Ti66Zr30Mo4
Ti65Zr30Mo5
对外界环境刺激做出 反应——神经元
对温度变化做出反应 ——微观组织相变
[1] 金万军. 生物医用Ti-Ta基合金的形状记忆效应和力学性能的研究[D]. 厦门：厦门大学, 2009 [2] 徐祖耀. 形状记忆材料[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2000 [3] K. Otsuka. Shape Memory Materials[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1988
成分
组织
性能
通过向金属Ti 中添加具有β 相稳定性和耐 腐蚀性的Zr、 Mo等对人体 无毒合金元素；
应用CR和 ARB合金加工 工艺，细化晶 粒度，优化组 织结构；
以期提高SMA 生物相容性， 提高SE的。最 终实现提高生 物医用钛合金 可靠性的目的。
CR:Cold Rolling; ARB: Accumulative roll bonding
欧美
日本
中国
Ti13Nb13Zr Ti35Nb7Zr5Ta Ti12Mo6Zr2Fe Ti15Nb、 Ti35.3Nb5.1Ta7.1Zr
Ti29Nb13Ta4.6Zr Ti30Nb10Ta5Zr Ti35Nb10Ta5Zr Ti-Ta
Ti55Ta9Zr（厦大） Ti12.5Zr2.5Nb2.5Ta（西北 有色金属研究院） Ti-Co-Ta(中南) Ti-Zr(北航)
1.2 应用中出现的问题
1. 合金释放有毒离子毒害人体细胞
临床观察证实应用比较广泛的Ti6Al4V、Ti-Ni合金植入人 体酸性环境后会释放出对细胞具有严重危害的Al、Ni、V阳 离子，直接危害患者生命健康。
AL
Ni V
影响脑细胞功能，导致记忆力下降，思维 能力迟钝。据研究老年痴呆症患者脑中铝 含量为正常人近5倍。 使心、脑、肺、肝和肾功能衰退；使核糖 核酸或脱氧核糖核酸复制失真，引起突变， 从而增加癌症发病率。 可引起呼吸系统、神经系统、肠胃系统、 造血系统的损害；降低人体的抵抗外界压 力、毒素及致癌物的能力；甚至致死。
1.2 应用中出现的问题
2. “应力屏蔽”现象导致的植入失效
弹性模量 差异 受力传递 不均匀 植入 失效
生物排异反应可以用药物控制；物理排异反应无 法用药物控制！
1.3 国内外SMA研究现状
1. 向Ti 中添加Ta、Mo、Nb、Zr等替代Al、Ni、V等对 人体有毒的合金元素，通过调整合金元素配比使合金材料 具有更佳的SME和SE。
β
Ti68Zr30Mo2，X200倍
β
β β
Ti66Zr30Mo4，X200倍 Ti65Zr30Mo5，X200倍
Ti67Zr30Mo3，X200倍
3.4 合金相组成的XRD测定
Ti-Zr-Mo系合金相组成随Mo含量的变化
3.5 铸态合金维氏硬度
αBiblioteka Baidu β ά β ά+β β+ω
Ti68Zr30Mo2 Ti67Zr30Mo3 Ti70Zr30 Ti69Zr30Mo1
研究方法和创新点
工艺流程
合金冶炼 冷轧成型 ARB轧制 性能表征
成分创新
加工工艺创新
1. Ti-Zr系合金是SMA研究的新领域，具有潜在的SME和SE和广阔 的应用前景； 2. Accumulative Roll Bonding(ARB)与CR(Cold Rolling)相比可 以进一步细化晶粒，极大地改善合金的机械系能。
2. 超(伪) 弹性SE
应变诱导马氏体相变产生的超弹性行为使合金具有比普通刚性材料更 低的弹性模量！特别是钛合金具有远低于不锈钢的弹性模量。
[1] Niinomi M, et al., Metall Mater Trans A, 2002, 33(4): 77-86
1.1 SMA医学应用和发展趋势
[1]李红梅，雷霆，方树明，黄光明.生物医用钛合金的研究进展[J].金属功能材料，2011,18(2):70~73
1.3 国内外SMA的研究现状
2. 优化组织结构，降低合金固有弹性模量；提高亚稳 态β相含量，增加应变诱导马氏体相变的敏感性，提高SE， 避免仿生组织植入人体时因“应力屏蔽”导致失效。
神奇的SME效果和优异的SE行为使钛合金作为仿生材料在医学应用 中发挥了巨大作用——仿生材料制成的人体替换组织不依赖于器官的活体 移植，应用范围非常广阔，极大地提高了医疗范围和患者康复率、生存率！
1.1 SMA医学应用和发展趋势
医疗水平的提高对新仿生材料提出更高 的要求。
促进
科技 健康
要求
人口增长及老龄化加速带来的心脑血 管疾病和骨科疾病剧增；
国策
国计民生 人民健康
“十二五”重大 科技专项——
重点加强生物医用 钛合金工程材料的 研究开发和产业化 发展。
1.2 应用中出现的问题
由仿生材料应用导致的金属污染和功能失效时刻危害着 患者的生命健康。突出问题有两个：1. 植入合金释放对人体 细胞有毒离子；2. “应力屏蔽”导致仿生材料植入失效。
[1] 任伊宾, 杨柯, 梁勇. 医用金属材料中的镍危害[J]. 生物医学工程学杂志, 2005,22(5): 1067-1069. [2] H. Matsumoto, et al., J. Materials Transactions, 2005, 46: 1070-1078.
本 质：
β
降温/应变
α
升温 马氏体 奥氏体 应用范围：航空航天、生物医疗、机械电子、汽车工业和 日常生活等多个领域。
[1] 李军. 稀有金属材料与工程, 2003, 32(5): 398~402.
1.1 SMA医学应用和发展趋势
1. 形状记 忆效应 SME
(a)预压缩 (b)受热扩张后 (c)植入腔道内效果
三. 已完成工作 3.1 合金成分配比及熔炼
以提高应变诱导马氏体相变的敏感性为目的，以合 金平均价电子常数e/a为参考，合金元素的配比基于d电 子轨道理论，并对其铸态合金相组成做出了预测：
合金配比参数及相组成预测
元素/at.% Ti70Zr30 Ti69Zr30Mo1 Ti68Zr30Mo2 Ti67Zr30Mo3 Ti/g Zr/g Mo/g 0 Bo Md e/a 预测相 4 α α 16.51287 13.48713 2.879 2.593
Ti-Zr-Mo系合金硬度随Mo含量变化
Ti66Zr30Mo4 Ti65Zr30Mo5
结论：1. Mo含量小于1%时主要起固溶强化作用；随着Mo含量增加，合金 由单一ά相转变为β相，证明Mo对钛合金β相具有强烈的稳定作用。 2. Ti68Zr30Mo2(at.%)维氏硬度突降和压痕周围应变诱导马氏体孪晶的出现证 明亚稳态β相对应变应变诱导马氏体的敏感性更高，约2%的Mo对合金的 SME和SE影响效果明显，是下一步研究计划的重点
进度安排
2012.03—2012.06 通过实验确定最佳成分、工艺
2012.07—2012.09 整理实验数据，撰写科技论文
2012.09—2012.12 调整实验参数，拓展研究内容
2013.01—2013.06 撰写毕业论文，准备答辩
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报告人：李永亮 导 师：林建国 教授 专 业：材料科学与工程
主要内容
一.选题背景 二.研究内容
三.已完成工作 四.下一步工作 五.致谢
一. 选 题 背 景
引例： 用形状记忆合金制成的花苞受温度影响后的变化情况
室温-花苞
加热-绽放
冷至室温-花苞
再次加热-绽放
拥有“大脑”的合金
Yes, I can also remember
形状记忆合金( Shape Memory Alloy, SMA)
特 点：1、形状记忆效果 （Shape Memory Effect，简 称SME）：具有热弹性或应力诱导马氏体相变特征的材 料在进行一定限度的变形后，经随后的加热到一定温度 时，材料能完全、部分恢复到变形前的形状和体积的现 象。 2、超弹性（ Superelasticity，简称SE）：材料 在外力作用下产生远超过弹性极限应变量的应变，而且 卸载时应变可恢复到原来状态的现象。
四. 下一步工作计划
1、调整合金成分，确定最佳最佳合金成分配比；
2、采用真空电弧炉熔炼合金，对合金铸态机械性
能进行表征(XRD、SEM等)；
3、采用CR/ARB工艺冷轧合金，对轧后合金机械
性能进行表征，探讨轧制工艺对机械性能的影响；
4、对ARB工艺冷轧后的合金进行快速时效处理，
探讨热处理对合金机械性能的影响。
15.09255 13.07412 1.83333 2.890 2.574 4.08
14.7504 12.97479 2.27427 2.890 2.569 4.10
3.2 合金成分配比及熔炼
Ar保护非自耗熔炉
3.3 金相组织随成分的变化
ά ά
Ti70Zr30，X200倍
ά
Ti69Zr30Mo1，X200倍
[1] Y L Zhou et al., Materials Science and Enginieering A. 2004,371: 283-290 [2] L Q Wang et al., Journal of Alloys and Compounds. 2009, 469: 512-518
二. 本课题研究内容
16.14945 13.38144 0.46911 2.882 2.588 4.02 15.79167 13.2774 0.93093 2.884 2.583 4.04
α
α α α
15.43941 13.17498 1.38561 2.887 2.579 4.06
Ti66Zr30Mo4
Ti65Zr30Mo5
对外界环境刺激做出 反应——神经元
对温度变化做出反应 ——微观组织相变
[1] 金万军. 生物医用Ti-Ta基合金的形状记忆效应和力学性能的研究[D]. 厦门：厦门大学, 2009 [2] 徐祖耀. 形状记忆材料[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2000 [3] K. Otsuka. Shape Memory Materials[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1988