研究背景：

钛合金凭借高比强度、优良生物相容性与耐蚀性，成为人工骨、关节假体等植入医疗器械的关键材料。临床广泛使用的Ti6Al4V合金存在Al、V潜在生物毒性，弹性模量远高于人体骨，易引发应力屏蔽。因此研发无毒性、低弹性模量、综合性能优异的β型医用钛合金，成为生物医用材料领域的重要研究方向。Nb、Ta、Zr、Sn等无毒元素可通过固溶强化提升材料性能。然而铸造钛合金存在组织不均、残余应力大、成分偏析等问题，亟需通过精准热处理实现组织调控与性能提升。

文章概述：

近日，西安科技大学李玉华课题组联合昱华先进材料研究院刘玉敬课题组、澳大利亚伊迪斯•科文大学张来昌课题组联合报道了时效处理对真空电弧熔炼制备的Ti-13Nb-12Ta-10Zr-4Sn (以下简称TNTZS)合金微观组织、力学性能及腐蚀行为等影响机制。研究发现，经550℃时效处理后，合金的抗拉强度与屈服强度分别提高51%和93%，钝化膜电阻提升123%，同时弹性模量降低至68 GPa，展现出优异的综合性能。

正文：

一、时效处理调控微观组织：相比例优化与晶粒细化协同

首先将铸态TNTZS合金在800℃(高于β相变点)固溶处理1 h后水淬，随后分别在450℃和550℃时效处理30 min。XRD分析(图1)表明，合金相含量在时效过程中发生变化，铸态合金由64 vol% β相、19 vol% α相及17 vol% α″马氏体相组成；450℃时效(HT450)后，α″马氏体相含量显著增至33 vol%，α相降至13 vol%，β相降至54 vol%；550℃时效(HT550)后，α相含量增至25 vol%，α″相降至20 vol%，β相保持55 vol%。光学显微组织分析(图2)进一步显示，铸态组织中细片层α相与少量针状α″马氏体分布于等轴β基体中；HT450试样中高密度针状α″马氏体与片层α相在β晶界及晶内大量析出；HT550试样中α与β相呈层状交叠分布，α″相在β晶粒内部以高密度细小针状形态存在。此外，时效处理使β晶粒由铸态的0.94 mm分别细化至HT450的0.71 mm、HT550的0.63 mm，组织均匀性显著提升。

图1.铸态、HT450与HT550合金XRD图谱

图2.铸态、HT450与HT550合金光学显微组织

二、力学性能突破：高强低模适配医用植入需求

拉伸测试结果(图3)表明，时效处理显著提升合金强度，不同温度呈现较大差异。铸态合金抗拉强度为608 MPa、屈服强度为424 MPa、弹性模量为82 GPa、延伸率为23.4%；HT450试样抗拉强度高达1192 MPa(提升96%)、屈服强度达1180 MPa，硬度由255 HV提升至375 HV，但塑性几乎完全丧失；HT550试样抗拉强度为921 MPa (提升51%)、屈服强度为819 MPa，弹性模量降至68 GPa，远低于传统Ti-6Al-4V合金，且保留了良好的塑性。TEM分析(图4)揭示，强化机制主要源于α″马氏体的析出强化与位错塞积效应，α″与α相能有效阻碍位错运动，造成位错缠结与应力集中；HT550试样因β相含量较高(55 vol%)，塑性保持在较好水平，拉伸断口呈现高密度细小韧窝特征，展现出更优的强塑性匹配。

图3.拉伸应力应变曲线及力学性能

图4.拉伸断口TEM分析

三、耐蚀性能升级：致密钝化膜提升耐蚀性

在3.5 wt% NaCl溶液中的电化学测试结果表明(图5)，HT550试样展现出最优耐腐蚀性能，腐蚀电流密度降至70.68 nA/cm²，显著低于铸态和HT450试样；钝化膜阻抗达494.89 kΩ·cm²，较铸态提升123%；有效电容计算所得钝化膜厚度增至16.86 nm。电化学腐蚀后钝化膜TEM表征(图6)进一步证实，HT550试样表面形成了厚度约12.2 nm钝化膜，O元素在膜层中呈均匀连续分布。HRTEM原子尺度分析发现，HT550试样中β相晶格原子间距(近膜区域291.5 pm，远膜区域272.3 pm)均小于铸态试样 (近膜区域313.1 pm，远膜区域305.5 pm)，表明时效处理使β相晶格结构更致密，不仅减少了腐蚀介质的侵入通道，还增强了原子间结合力，从而显著提升了合金的化学稳定性与耐腐蚀性能。

图5.动电位极化曲线和电化学阻抗谱

图6.电化学腐蚀后钝化膜TEM表征

本研究证实时效处理可调控近β型Ti-13Nb-12Ta-10Zr-4Sn合金的相比例与微观组织，450℃时效实现高强度，550℃时效实现高强、低模与优异耐蚀性的协同优化，为新型无毒高性能医用钛合金的开发提供了重要技术参考。

论文信息:

Enhanced Strength and Corrosion Resistance of Ti-13Nb-12Ta-10Zr-4Sn Alloy by Aging Treatment

Yuhua Li*, Rong Zhao, Qian Zhang, Haojie Wang, Yujing Liu*, Lai-Chang Zhang*

Advanced Engineering Materials

DOI:10.1002/adem.70703

原文链接：https://doi.org/10.1002/adem.70703

期刊简介

Advanced Engineering Materials专注于工程材料的所有最新突破。该杂志涵盖了各种关键主题，例如复合材料、陶瓷、金属间化合物和涂层，以及高温、细胞和生物医学材料，以及创新的制造技术。