高MRI兼容性低磁化率锆基中熵合金的设计开发及其在骨科植入物中的应用

《Journal of Alloys and Compounds》：Design and Development of High MRI-compatibility Zr-rich Medium Entropy Alloys with Low Magnetic Susceptibility for Orthopedic Implants

本综述系统阐述了通过富锆（Zr-rich）成分设计开发具有低质量磁化率（χg低至2.65×10–6 cm3/g）的β相Zr-Ti-Nb-Ta中熵合金（MEAs），该材料兼具低弹性模量（56–82 GPa）、高屈服强度（898–1049 MPa）及优异耐腐蚀性，有效解决了传统β-Ti合金在磁共振成像（MRI）中易产生伪影、发热及位移等问题，为高性能骨科植入物提供了创新材料解决方案。

　　

相鉴定

图2a展示了本研究中Zr-Ti-Nb-Ta中熵合金的X射线衍射图谱。所有Zr-MEAs均显示出对应于β相的衍射峰，包括(110)、(200)、(211)和(220)晶面，且未检测到任何二次相，表明高熵效应成功稳定了单一固溶体结构。

图2b显示，随着锆含量增加，Zr₄₅-Ti₂₇-Nb₂₃-Ta₅、Zr₄₅-Ti₃₅-Nb₁₇-Ta₃、Zr₄₅-Ti₃₉-Nb₁₅-Ta₁、Zr₄₈-Ti₃₅-Nb₁₆-Ta₁和Zr₆₅-Ti₂₄-Nb₁₀-Ta₁的主衍射峰逐渐向低角度偏移，印证了晶格参数的连续调整与锆主导的固溶强化效应。

结论

本研究成功开发出具有超低质量磁化率的β相富锆中熵合金，同时实现了高耐腐蚀性和低弹性模量。其中Zr₆₅-Ti₂₄-Nb₁₀-Ta₁合金的χ_g值低至2.65×10^–6 cm³/g，弹性模量仅为56 GPa。超低磁化率归因于以锆为核心的合金设计（锆的本征磁化率仅为1.33×10^–6 cm³/g）。优异的腐蚀抵抗力则源于δ（原子尺寸差）、ΔT（混合熵焓比）和ΔT_l–s（凝固区间）的协同调控，以及锆富集引发的晶粒细化（9.57±1.24–18.24±3.29 μm）对钝化层成核的促进作用。该材料体系为高场强MRI兼容型骨科植入物提供了理想候选材料。

资助声明

本研究由国科会大学生研究计划（114-2813-C-390-022-E）及国立高雄大学资助。