無鎳Ti-Nb基形狀記憶合金的研究進展

周丹（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東 廣州 510000）

1.導言

鎳鈦形狀記憶合金由于具有優異的耐腐蝕性、超彈性、形狀記憶和生物相容性，被廣泛地用于生物材料領域[1]。然而鎳是一種有毒的元素，其可以導致鎳過敏癥，因而開發無鎳形狀記憶合金具有重要的意義[2]。

許多β型鈦基合金，比如Ti-V，Ti-Mo，Ti-Nb和Ti-Ta基合金等，都具有形狀記憶效應。由于金屬V在被還原為多價態的V5+之后具有強烈的毒性，因此研究人員更加關注含Nb、Ta等元素的形狀記憶合金。在本綜述中，作者簡要總結了近年來關于Ti-Nb基二元和三元形狀記憶合金的研究進展。

2.Ti-Nb二元形狀記憶合金

Ti-Nb二元合金的形狀記憶效應是Baker[3]等在1971年首次報道，Ti-35wt.%Nb合金因為具有由α′相到β相的可逆轉變而實現形狀記憶效應。Nb有著良好的生物相容并且充當β相的穩定元素，被添加到許多β型(或近β型)鈦基形狀記憶合金中。

Kim等[4]報道了Ti-(15-35)at.%Nb合金具有形狀記憶效應和超彈性，研究表明轉變應變和溫度隨著Nb含量的增加而線性降低，在固溶處理的Ti-Nb合金中只存在很小的超彈性應變，另外，降低退火溫度可以提高剪切臨界應力。

二元Ti-Nb合金中的Nb含量可以顯著地影響合金的相組成，Wang等[5]試圖降低合金中的Nb含量以得到更多的α’’馬氏體相，研究表明在750°C固溶處理0.5h后，合金可以得到最好的力學性能，達到461MPa的屈服強度和613MPa的斷裂強度以及19.2%的延伸率。

3.Ti-Nb基三元形狀記憶合金

至今為止，包括Sn,Ta,Zr,Al,Ge,Ga等在內的第三組元被發現可以改變Ti-Nb二元形狀記憶合金的形狀記憶效應。Wang等[6]研究了Sn含量對Ti-Nb-Sn合金的微觀結構、相組成和形狀記憶效應的影響。研究表明固溶處理后的Ti–16Nb–4Sn合金由α’’相和β相組成，但同樣處理的Ti–16Nb–5Sn合金只含有β相。隨著Sn含量的增加，恢復率逐漸降低，最大的完全可恢復應變接近4%。

Takahashi等[7]研究了熱處理和Sn含量對Ti-Nb-Sn合金超彈性的影響，研究表明，添加了4-5at.%Sn的Ti-16at.%Nb合金在熱處理之后具有非常好的超彈性性能，可以滿足臨床醫用的要求，快淬之后馬氏體轉變效應更加明顯。

Kim等[8]將Zr作為第三組元添加到Ti-Nb記憶合金中，并研究了Zr元素對力學性能、形狀記憶效應和相穩定性的影響。Ti–22Nb–(2–4)Zr(at.%)和 Ti–22Nb–6Zr(at.%)合金分別具有形狀記憶效應和超彈性，但是Ti–22Nb–8Zr(at.%)合金皆不具備，Ti–22Nb–(4–6)Zr(at.%)合金具有高達4.3%的完全可恢復應變。

Masumoto等[9]研究了Si添加對Ti–Nb–Al記憶合金力學性能的影響，Si添加對于該合金的超彈性提升有幫助，這主要是由于固溶強化以及Si改變了合金的馬氏體轉變溫度。

4.結語

本文簡述了無鎳鈦基醫用形狀記憶合金的研究進展，著重展示了研究人員在Ti-Nb二元合金的基礎上，通過熱處理、微量摻雜和元素替代等手段提高了合金的記憶效應和超彈性。無鎳鈦基形狀記憶合金在臨床醫學生物材料領域有著優良的應用前景，值得對其進行更多、更深入的研究。

[1]楊大智,吳明雄著，Ni-Ti形狀記憶合金在生物醫學領域的應用，北京市：冶金工業出版社,2003.

[2]賀志榮，無鎳鈦基形狀記憶合金的研究進展，《鈦工業進展》，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.43 No.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 Engi?neering A 438–440(2006)835–838.