3.生物医用钛合金

20世纪中国致力于生物医用钛合金等生物材料的研制与开发, 西北有色金属研究院研制成功具有我国自主知识产权的第2 代新型医用钛合金TAMZ, 该合金在生物相容性、综合力学性能及工艺成形性等方面优于TC4, 而在综合力学性能及工艺成形性方面也同样优于国外开发的Ti-5Al-2.5Fe, Ti-6Al-7Nb医用钛合金。早在2002 年年初西北有色金属研究院就开始了对生物相容性及力学相容性更好的第3 代β型医用钛合金的设计和开发, 新开发的两类近β 型钛合金TLE 和TLM , 在保持合金中、高强度和高韧性的同时又具有优良的冷、热加工性能。新材料具有生物及力学相容性优良、原料易得、熔炼及加工工艺简单易控制、性价比高的优点。

4.低成本钛合金

钛合金成本比较高, 国外研制了成本相对较低的钛合金, 如采用廉价合金元素设计成功的Ti62S, Ti-LCB, Ti-0.05Pd-0.3Co等, 这3 个合金均得到实际应用。为改善合金加工特性设计成功的合金有超塑性钛合金SP700、具有较高切削加工性能的DAT52F合金及具有优异冷加工性能的β21S等。SP700和β21S获得巨大成功和实际应用。源:自*优尔`%论,文'网·www.youerw.com/

合金及钛合金的低成本化制备技术近几年在中国受到高度重视。通过合金设计、添加廉价合金元素如Fe代替昂贵合金元素如V, 西北有色金属研究院创新研制出具有自主知识产权的Ti12LC(Ti-Al-Fe-Mo)和Ti8LC(Ti-Al-Fe-Mo) 两种低成本钛合金,二者的室温拉伸性能均优于TC4, 已完成合金设计、实验室规模研究、中试及工业规模研究等基础技术研究, 达到工业化研究规模, 两种合金制备的一些零部件正在应用中, 这些为合金扩大规模和推广应用奠定了良好基础。洛阳船舶材料研究所也研制出Ti-0.8Al-1.2Fe低成本钛合金 , 并开展了相关的应用研究。

1.2 晶粒梯度材料

1.2.1晶粒梯度材料介绍

是指结构单元尺度(如多晶材料中的晶粒尺寸)在纳米量级的材料, 其显著结构特点是含有大量晶界或其他界面, 从而表现出一些与普通粗晶结构材料截然不同的力学和物理化学性能。过去30 余年的研究表明,纳米结构材料通常具有很高的强度和硬度, 在不改变材料化学成分的前提下, 结构纳米化可使材料的强度和硬度高达同等成分粗晶材料的数倍甚至数十倍, 是发展高强度材料的一种新途径. 然而, 伴随着强度和硬度的显著提高, 纳米结构材料的塑性和韧性显著降低、加工硬化能力消失、结构稳定性变差, 这些性能的恶化制约了纳米结构材料的应用和发展.最新研究表明, 通过对纳米结构的多级构筑(architecture)可以在有效克服纳米结构的性能缺点的同时发挥其性能优势, 梯度纳米结构便是其中的一种重要构筑类型. 梯度纳米结构是指材料的结构单元尺寸(如晶粒尺寸或层片厚度)在空间上呈梯度变化,从纳米尺度连续增加到宏观尺度. 或者说, 材料的一部分由纳米结构组成, 一部分由粗晶结构组成, 这两部分之间结构单元尺寸呈梯度连续变化. 梯度纳米结构的实质是晶界(或其他界面)密度在空间上呈梯度变化, 因此对应着许多物理化学性能在空间上的梯度变化. 结构尺寸的梯度变化有别于不同特征尺寸结构(如纳米晶粒、亚微米晶粒、粗晶粒)的简单混合或复合, 有效避免了结构特征尺寸突变引起的性能突变, 可以使具有不同特征尺寸的结构相互协调, 同时表现出各特征尺寸所对应的多种作用机制,使材料的整体性能和使役行为得到优化和提高[4-10]. 

材料的许多性能随结构单元特征尺度变化而变化, 当结构单元尺度降低到纳米量级时性能变化会十分显著. 例如, 金属材料的强度随晶粒尺寸的减小而提高, 当减小到纳米量级时强度提升异常显著, 如图1.2所示. 与梯度微米结构(由微米尺度增大到宏观尺度)相比, 梯度纳米结构所对应的强度变化范围会有很大的拓宽, 因而可实现强度的大范围调控. 此外, 由于纳米结构材料具有一些独特的理化性能, 如高扩散速率和化学反应活性等, 这也赋予了梯度纳米结构一些全新的功能特性. 因此, 梯度纳米结构材料成为近年来的新研究热。