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(xié)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(yōu)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(fā)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(tài)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(wěn)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(fā)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(yī)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(wěn)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(yī)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(yī)學生物材料領域有著優(yōu)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(yī)學領域的應用，北京市：冶金工業(yè)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(yè)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.