钛合金的电化学行为与生物活性研究(3)
耐腐蚀性和对人体的相容性都够好，不会使人体产生太大的排异反应。纯钛虽然
耐蚀性较好，但由于没有经过处理的纯钛金属强度不够高，经摩擦后易损坏，所
以不能用于膝、肘、踝等承重较大的关节替换。口腔中的骨替换由于承受的力不
是很大，所以一般用钛金属来进行替换[6,7]
。相比之下，Ti6Al4V 合金的强度比较
高，这种合金由美国研发成功，最初的使用目的是在航天领域来作为承重部件，
70 年代后期被广泛用作修复如髋关节，膝关节等的外科材料的修复与替代。然
而，Ti6Al4V合金的弹性模量与人骨的适配性并不好，接近人骨弹性模量的 4倍
（110GPa）。植入物和人骨之间的弹性模量失配导致应力屏蔽，使其在骨内吸
收并最终导致植入物的松动和过早失效。另一方面，这些潜在的金属元素是有危
害的，如Al 和V从Ti6Al4V 合金中析出并们在人体内蓄积已被证明是有毒的[8]。
这意着如果将钛合金应用到人体就需要更加无毒且与人骨更加接近的金属元素。
基于这些条件考虑，拥有包括β稳定元素，如钼，硅，铌，锆和钽的β型钛
合金满足其中的绝大多数要求。据研究表明，Ti29Nb13Ta4.6Zr , Ti25Ta25Nb 和
Ti35Nb4Sn 的弹性模量分别为 65 GPa，55 GPa 和40 GPa，这些更接近人骨的弹
性模量。由于加入了较低弹性模量的掺杂金属，该β型钛合金的生物相容性更加。
此类合金不能热处理强化，但是其基体稳定不变、抵抗酸碱有机溶剂侵蚀的
能力好、容易与其他金属同时使用。缺点是受过大应力会断裂。在工业上纯钛的
使用温度并不高，最高的使用温度可达 450℃。
1.2.2 β钛合金
钛的体心立方结构被称为β钛，但只有在高温下 882℃以上才会形成。由于
其结构中有 12 个滑移系，可以随意沿某一位面进行滑移，所以塑性较好。Β钛
合金全都由β相固溶体组成，并没有其他的基体相，在通常情况下即具有较高的
应力强度，在经过一些常规的热处理后会使得合金的耐应力更高淬火、时效后合
金得到进一步强化，室温强度可达 1372～1666 MPa，但在高温情况下会变形，
不再是β相，所以不宜在高温下使用。某些β钛合金例如β稳定元素如钼，硅，
铌，锆和钽的钛合金由于其弹性模量接近于人骨且耐腐蚀性较强，可用于生物体内作为代替骨骼的材料。
1.2.3 α+β钛合金
α+β钛合金顾名思义是由α相和β相共同组成的合金，它拥有两相合金的接近人骨，比含有Al 元素的钛合金有了很大提高。
1.3.2 医用β钛合金的形状记忆效应
Ti 合金的β相为体心立方结构，在高温下会产生。对其进行一定的热处理如
淬火或应力会变成马氏体相，体心立方结构变为马氏体相的过程被称作超弹性和
记忆效应。随着合金中掺杂元素含量的变化β钛合金中的马氏体产生的起始温度
也会随着发生变化。由相图图 1.2可知，控制β中如钼，硅，铌，锆和钽等稳定
元素的掺杂量可以改变钛合金马氏体转变的初始和终了温度。此外，在许多β钛
合金中发现，当马氏体相变应力小于发生位错滑移应力时，合金中还会产生应力
诱发马氏体相[9]
，这种相使β钛合金合金发生超弹性性能。如图 1.3合金相变点
和应力关系曲线所示，使合金的相向马氏体转变的应力会随着 T升高而增大，
在奥氏体初始转变温度（AS）以上，当合金的相向马氏体转变的应力介于最高