医用钛合金的发展与应用

钛合金已广泛用于医疗或牙科应用其优越的生物相容性、高强度和耐腐蚀性以及低相对于其他可植入金属的模量。为了满足严格的医疗要求因此，法规和生物工程、材料科学家的进步设计了一系列先进的钛合金。本章旨在回顾新型医用级钛合金的成分开发过程设计、生物相容性和形状记忆效应等。

目前，Ti-Mo、Ti-Nb、Ti-Ta和Ti-Zr基β-钛合金已经广泛研究。与其他钛合金相比，这些合金可以实现更低的弹性模量和较高的强度。由于Ti-Nb合金的弹性模量低形状记忆效果好，是最有发展前途的医用钛合金并加以利用。含有Nb、Ta、Zr元素的贝塔钛合金正在被研究作为最重要的生物医学材料。本章介绍了微观结构和TiNbTaZr钛合金的力学性能。结果表明，TiNbTaZr具有低弹性模量和无毒合金元素的β钛合金在生物医学领域更重要的应用。Ti35Nb2Ta3Zrβ钛合金是研究表明，该合金具有较低的弹性模量、较高的综合性能强度高，伸长率高，形状记忆效果好。与直接比较轧制、交叉轧制有利于微观组织和力学的各向同性属性。

新型无毒β-Ti合金已开发出来，并在下一代中使用替代目前使用的近α型CP-Ti和骨科应用中的（α+β）型Ti-6Al-4V合金。然而，绝大多数这些新型β型钛合金中含有大量昂贵的Ta、Nb和Zr等元素具有高密度和高熔点。因此，它是非常希望设计由无毒、，低成本、丰富的金属到较低比例的高成本元素。最近，一些通过以下方法开发了系列Ti-xFe-yTa、Ti-Fe-xNb和Ti-Nb-xFe合金DV-Xα分子轨道法。合金的机械性能可以是通过研究Ta、Fe和Nb含量对相变、β相的影响进行评估稳定性和微观结构演变，并与当前应用的生物材料，以确定其适用性。在当前设计的合金中，Ti-10Fe-10Ta、Ti-7Fe-11Nb和Ti-11Nb-9Fe显示了机械性能，与用于生物医学应用的常规CP-Ti和Ti-6Al-4V材料。与CP-Ti和Ti-6Al-4V合金相比，一种新型钛合金具有更好的整形外科应用的性能可以通过适当的合金设计来设计。

尽管钛合金表现出了优异的综合性能属性。然而，钛合金的各种潜在应用受到以下因素的阻碍硬机械和/或由于传统的材料去除而导致的高成本制造工艺。新兴的添加剂制造技术提供了创造钛及其复合材料，特别是复合材料的绝佳机会尺寸，如选择性激光熔化（SLM）。到目前为止，许多类型的钛SLM已经成功地制造了合金部件，它们显示与传统同类产品相比具有可比性。本章首先简要介绍了SLM工艺的特点和涉及的参数，然后回顾了在加工、微观结构和钛基合金的力学性能和SLM生产的多孔结构。

电子束熔炼（EBM）是一种相对较新的快速添加剂能够制造复杂、多功能的制造技术直接来自CAD模型的金属或合金组件，前体选择性熔化粉末床。与相同孔隙度的Ti-6Al-4V样品相比，EBM产生了β型Ti-24Nb-4Zr-8Sn（Ti2448）多孔组分表现出较高的超塑性导致的标准化疲劳强度，前方有更大的塑性区疲劳裂纹尖端和裂纹偏转行为。超塑性可以通过增加多孔样品的孔隙度来改善多孔结构的拉压应力比。EBM生产的组件表现出多孔Ti-6Al-4V的强度模量比的两倍以上相对应的人。疲劳裂纹萌生位置在基于应变曲线的疲劳循环回路的变化。EBM独特的制造工艺导致产生不同尺寸的晶粒和明显的疲劳裂纹柱状晶区中的晶界由于相邻晶粒之间的取向错误。

NiTi合金具有优异的机械性能，例如独特的形状记忆效应、超弹性、良好的生物相容性、优异的腐蚀性电阻、低弹性模量和良好的延展性，使其成为生物医学、航空航天和智能材料。然而，NiTi合金本身和不同材料连接问题NiTi合金只能有一个简单的几何形状，从而限制了NiTi合金的更广泛应用。因此，电阻焊和激光焊接是由学者提出的，但由于焊接使连接部件容易产生脆性第二相大面积热影响区，也需要大量焊料。在这个第章，NiTi/NiTi-Nb合金是通过在将高温氩气气氛炉加热至1185°C，持续6分钟。结果表明：共有4个扩散层，包括Nb箔、NiTi-Nb共晶区、预共晶区NiTi线和Nb箔接合处的NiTi区域和NiTi基体。此外，在NiTi基体内发现马氏体相。在NiTi-Nb共晶扩散中层，铌不均匀分布，形成棒状富铌相，多面富钛相和带状或等轴NiTi-Nb共晶结构。这个界面微观结构和力学性能的实验研究NiTi和Nb之间的界面将有助于理解使用Nb作为NiTi合金连接材料，为NiTi的制备提供理论支持晶格材料，促进了NiTi合金的更广泛应用。

Ti-6Al具有优异的生物相容性和机械性能-4V（TC4）合金被广泛用作植入物。旨在解决穷人的问题TC4合金的表面磨损性能及改善生物相容性在槽中填充TiO2粉末以实现表面处理（FSP）改性并构建纳米复合生物医学材料。中的更改显微组织及其与硬度等力学性能的关系进行讨论。一系列生物学实验，包括细胞毒性试验、细胞进行培养、粘附、增殖和碱性磷酸酶活性验证与原始TC4相比，材料的生物相容性。改进后的材料预计将为细胞生长提供更好的环境。

众所周知，钛合金的不同制造技术对其性能产生重大影响；例如，制造的Ti-6Al-4V通过选择性激光熔炼（SLM）显示出相当甚至更好的机械性能与传统制造方法生产的同类产品相比。然而对SLM生产的材料的腐蚀行为的理解是未知的。这个本章回顾了SLM生产的Tibase的腐蚀行为的最新进展合金，如Ti-6Al-4V和Ti-TiB复合材料。腐蚀行为和比较和讨论了SLM生产的钛的腐蚀机理用传统方法加工的合金及其对应物。