新型低模量超弹性亚稳态Ti-Mo-Nb-Sn生物医用合金的组分设计与性能调控

为解决传统生物植入材料弹性模量高、缺乏超弹性及含毒性元素等问题，研究人员基于价电子浓度(e/a)和d电子理论，设计开发了Ti-5Mo-xNb-ySn合金体系。通过调控Nb、Sn含量抑制α"和ω相形成，获得弹性模量低至50 GPa、恢复应变达2.5%的Ti-5Mo-15Nb-9Sn合金，为骨科植入物提供了兼具低模量和高生物相容性的新材料。

　　

在骨科植入领域，传统钛合金如Ti-6Al-4V长期面临三大难题：110 GPa的高弹性模量远超过人骨（10-30 GPa）引发的应力屏蔽效应；缺乏超弹性导致的有限恢复应变；以及Al、V元素的细胞毒性。这些问题促使研究者转向开发亚稳态β型钛合金，但现有体系如Ti-Nb基合金仍存在β相稳定性与低模量难以兼顾、昂贵元素添加量高、恢复应变不足2%等瓶颈。

中南大学的研究团队创新性地结合价电子浓度(e/a)理论和d电子理论，设计出Ti-5Mo-xNb-ySn（x=10-20 wt%，y=6-12 wt%）合金体系。通过同步辐射X射线衍射、透射电镜等表征手段，系统研究了Nb/Sn含量对相组成、变形机制的影响。发现增加Nb/Sn可显著抑制高模量的α"和ω相形成，将β?α"相变温度降至室温以下，使Ti-5Mo-15Nb-9Sn合金实现50 GPa的超低模量，同时通过应力诱导马氏体(SIM)转变与{332}<113>孪晶的协同作用，获得2.5%的大恢复应变。

关键实验技术

1. 基于e/a值和d电子轨道理论的成分设计
2. 真空电弧熔炼结合均匀化热处理制备合金
3. X射线衍射(XRD)分析相组成
4. 透射电子显微镜(TEM)观察变形机制
5. 力学性能测试（弹性模量、超弹性循环试验）

主要研究结果

1. 合金成分设计：通过计算e/a值（4.20-4.35）和Bo-Md电子参数，确定能同时抑制α"/ω相形成并保持亚稳态β相的成分窗口。

2. 合金元素对相组成的影响：XRD显示Ti-5Mo-10Nb-6Sn含α"相，而Ti-5Mo-20Nb-6Sn为纯β相；Sn含量增至12 wt%时完全抑制ω相析出。

3. 力学性能调控：Nb含量从10增至20 wt%使屈服强度提升47%，Sn增加促使变形机制从SIM转变为SIM+孪晶协同，Ti-5Mo-15Nb-9Sn实现最优综合性能。

4. 超弹性机制：通过降低M_s(β→α"起始温度)和A_f(α"→β结束温度)，使β?α"相变在室温可逆进行，恢复应变达2.5%。

结论与意义
该研究通过精准调控Nb/Sn含量，首次在低Mo含量（5 wt%）体系中实现α"/ω相抑制与亚稳态β相稳定的平衡，突破了传统Ti-Nb基合金需要高Nb含量（>40 wt%）的技术壁垒。获得的Ti-5Mo-15Nb-9Sn合金具有与人体骨骼完美匹配的力学性能，其50 GPa的弹性模量是目前报道的β型钛合金中最低值之一，2.5%的恢复应变更是达到生物软组织水平。这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的工作，为开发低成本、高性能的下一代骨科植入材料提供了全新的设计思路。