无镍Ti-Nb基形状记忆合金的研究进展

1. 导言

镍钛形状记忆合金由于具有优异的耐腐蚀性、超弹性、形状记忆和生物相容性, 被广泛地用于生物材料领域[1]。然而镍是一种有毒的元素, 其可以导致镍过敏症, 因而开发无镍形状记忆合金具有重要的意义[2]。

许多β型钛基合金, 比如Ti-V, Ti-Mo, Ti-Nb和Ti-Ta基合金等, 都具有形状记忆效应。由于金属V在被还原为多价态的V5+之后具有强烈的毒性, 因此研究人员更加关注含Nb、Ta等元素的形状记忆合金。在本综述中, 作者简要总结了近年来关于Ti-Nb基二元和三元形状记忆合金的研究进展。

2. Ti-Nb二元形状记忆合金

Ti-Nb二元合金的形状记忆效应是Baker[3]等在1971年首次报道, Ti-35wt.%Nb合金因为具有由α''相到β相的可逆转变而实现形状记忆效应。Nb有着良好的生物相容并且充当β相的稳定元素, 被添加到许多β型 (或近β型) 钛基形状记忆合金中。

Kim等[4]报道了Ti- (15-35) at.%Nb合金具有形状记忆效应和超弹性, 研究表明转变应变和温度随着Nb含量的增加而线性降低, 在固溶处理的Ti-Nb合金中只存在很小的超弹性应变, 另外, 降低退火温度可以提高剪切临界应力。

二元Ti-Nb合金中的Nb含量可以显著地影响合金的相组成, Wang等[5]试图降低合金中的Nb含量以得到更多的α’’马氏体相, 研究表明在750°C固溶处理0.5h后, 合金可以得到最好的力学性能, 达到461MPa的屈服强度和613MPa的断裂强度以及19.2%的延伸率。

3. Ti-Nb基三元形状记忆合金

至今为止, 包括Sn, Ta, Zr, Al, Ge, Ga等在内的第三组元被发现可以改变Ti-Nb二元形状记忆合金的形状记忆效应。Wang等[6]研究了Sn含量对Ti-Nb-Sn合金的微观结构、相组成和形状记忆效应的影响。研究表明固溶处理后的Ti–16Nb–4Sn合金由α’’相和β相组成, 但同样处理的Ti–16Nb–5Sn合金只含有β相。随着Sn含量的增加, 恢复率逐渐降低, 最大的完全可恢复应变接近4%。

Takahashi等[7]研究了热处理和Sn含量对Ti-Nb-Sn合金超弹性的影响, 研究表明, 添加了4-5at.%Sn的Ti-16at.%Nb合金在热处理之后具有非常好的超弹性性能, 可以满足临床医用的要求, 快淬之后马氏体转变效应更加明显。

Kim等[8]将Zr作为第三组元添加到Ti-Nb记忆合金中, 并研究了Zr元素对力学性能、形状记忆效应和相稳定性的影响。Ti–22Nb– (2–4) Zr (at.%) 和Ti–22Nb–6Zr (at.%) 合金分别具有形状记忆效应和超弹性, 但是Ti–22Nb–8Zr (at.%) 合金皆不具备, Ti–22Nb– (4–6) Zr (at.%) 合金具有高达4.3%的完全可恢复应变。

Masumoto等[9]研究了Si添加对Ti–Nb–Al记忆合金力学性能的影响, Si添加对于该合金的超弹性提升有帮助, 这主要是由于固溶强化以及Si改变了合金的马氏体转变温度。

4. 结语

本文简述了无镍钛基医用形状记忆合金的研究进展, 着重展示了研究人员在Ti-Nb二元合金的基础上, 通过热处理、微量掺杂和元素替代等手段提高了合金的记忆效应和超弹性。无镍钛基形状记忆合金在临床医学生物材料领域有着优良的应用前景, 值得对其进行更多、更深入的研究。

摘要：本文简要综述了无镍Ti-Nb基形状记忆合金的研究现状, 介绍了Ti-Nb二元和三元形状记忆合金在形状记忆特性、超弹性和抗腐蚀性能等方面的研究进展。

关键词：形状记忆合金,形状记忆效应,超弹性

参考文献

[1] 杨大智, 吴明雄著, Ni-Ti形状记忆合金在生物医学领域的应用, 北京市:冶金工业出版社, 2003.

[2] 贺志荣, 无镍钛基形状记忆合金的研究进展, 《钛工业进展》, 2000, 第三期, 35-36.

[3] C.Baker, Metal Science Journal, 5 (1971) 92-100.

[4] H.Y.Kim, Y.Ikehara, J.I.Kim, H.Hosoda, S.Miyazaki, Acta Materialia 54 (2006) 2419–2429.

[5] Y.B.Wang, Y.F.Zheng, Materials Letters 62 (2008) 269–272.

[6] B.L.Wang, Y.F.Zheng, L.C.Zhao, Materials Science and Engineering A 486 (2008) 146–151.

[7] Eiji Takahashi, Tasuku Sakurai, Sadao Watanabe, Naoya Masahashi and Shuji Hanada, Materials Transactions, Vol.43No.12 (2002) pp.2978-2983.

[8] J.I.Kim, H.Y.Kim, T.Inamura, H.Hosoda, S.Miyazaki, Materials Science and Engineering A 403 (2005) 334–339.

[9] K.Masumoto, Y.Horiuchi, T.Inamura, H.Hosoda, K.Wakashima, H.Y.Kim, S.Miyazaki, Materials Science and Engineering A 438–440 (2006) 835–838.