近β型Ti-Zr-Mo-Cu多主元合金的仿生设计：低弹性模量与增强耐腐蚀性的协同优化

为解决骨科植入材料中弹性模量过高、耐腐蚀性不足及强度-塑性难以兼顾的难题，研究人员通过调控Mo含量（6-17 wt.%）开发了新型Ti-18Zr-xMo-10Cu近β型多主元合金。其中8Mo合金通过β相基体与α’’相析出的协同作用，实现60 GPa超低模量、1400 MPa抗压强度及35%塑性应变，同时具备10-3 A/cm2低腐蚀电流密度，为植入材料设计提供新范式。

　　

在骨科植入材料领域，金属钛（Ti）及其合金长期占据主导地位，但传统材料如Ti-6Al-4V面临两大致命缺陷：一是释放的V⁵⁺等有毒离子可能引发炎症反应，二是其110 GPa的高弹性模量与人体骨（~30 GPa）严重不匹配，导致"应力屏蔽效应"——即植入体承受过多载荷而周围骨质因力学刺激不足发生吸收，最终造成植入体松动。尽管研究者开发了Ti-12Mo-6Zr-2Fe（82 GPa）等改进合金，但如何同时实现超低模量、高强度、优良塑性及生物安全性仍是未解难题。

东南大学的研究团队独辟蹊径，选择Ti-18Zr-10Cu作为原型合金，通过引入β相稳定元素钼（Mo）设计出Ti-18Zr-xMo-10Cu（x=6-17 wt.%）多主元合金体系。发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究表明，8 wt.% Mo添加的合金展现出突破性性能：60 GPa的弹性模量接近人骨两倍但仍远低于传统钛合金，1400 MPa的抗压强度配合35%的塑性应变打破了强度-塑性的"跷跷板效应"，更在模拟体液中表现出10^-3 A/cm²的极低钝化电流密度。这种"鱼与熊掌兼得"的特性源于其独特的β相（BCC结构）基体与纳米级α^’’相（正交结构）析出物的双相微观结构——β相提供低模量平台，而α^’’相通过位错钉扎机制增强强度，同时Mo元素促进的MoO₄^2-钝化膜显著提升耐蚀性。

研究采用电弧熔炼制备合金锭，通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析相组成，电化学测试评估腐蚀行为，力学测试机测定压缩性能。

【Microstructure of the Ti-Zr-Mo-Cu alloys】
XRD显示Mo含量显著影响相组成：6Mo为单一β相，7-13Mo出现β+ZrCu（α^’’）双相，17Mo则形成β+α^’’+Zr₂Cu三相。透射电镜证实8Mo合金中5-20 nm的α^’’相均匀分布于β基体，这种纳米析出结构是性能优化的关键。

【Conclusion】
该研究突破传统β-Ti合金设计范式，通过精确控制Mo含量实现β相亚稳态与α^’’相析出的动态平衡。8Mo合金的低模量特性可缓解应力屏蔽，35%塑性应变确保植入体服役安全性，而MoO₄^2-钝化膜带来的"自修复"耐蚀性更延长了植入寿命。这种多主元合金设计策略为下一代仿生植入材料开发提供了新思路，其成分可调性还预留了抗菌、促骨整合等功能化拓展空间。

值得注意的是，尽管60 GPa模量仍高于人骨，但研究者指出通过后续热机械处理或孔隙化设计有望进一步降低模量。该工作由国家自然科学基金（52231005）等资助，相关数据因商业敏感性未公开，但技术路线已具备产业化推广潜力。