超高高屈服强度/杨氏模量比生物医用钛锆合金的强化机制设计与性能突破

　　【编辑推荐】针对生物植入材料面临的强度-模量不匹配难题，研究人员通过晶粒细化和变形晶粒比例调控策略，设计出Ti-5Zr-10Nb-4Sn-3Mo合金体系，实现816 MPa超高屈服强度与42 GPa超低杨氏模量的协同优化，Re/E比值达1.36×10?2 ，为骨科植入物抗应力屏蔽提供革命性解决方案。

　　

在当代骨科医学领域，人工关节置换术被誉为20世纪里程碑式的突破，但植入材料的机械适应性始终是制约其长期疗效的关键瓶颈。传统医用钛合金如纯钛和TC4（Ti-6Al-4V）虽具有良好生物相容性，却面临三重困境：强度不足（纯钛仅320-420 MPa）、潜在细胞毒性（Al/V元素可能诱发阿尔茨海默病和呼吸系统疾病），以及最致命的"应力屏蔽"效应——由于植入体杨氏模量（通常>30 GPa）远高于人骨（10-30 GPa），导致骨骼因力学刺激不足而发生骨质疏松。这一"强度-模量悖论"驱使全球材料科学家寻求兼具超高强度、超低模量且无毒的新型合金体系。

来自河北某研究团队的Pengyao Li、Yujian Zhang等研究者另辟蹊径，以Ti-Zr-Nb-Sn-Mo五元体系为突破口，通过非等原子比成分设计和热机械变形调控，成功开发出Re/E比值突破1.36×10^?2
的创新型合金。这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究，首次实现了816 MPa屈服强度与42 GPa杨氏模量的"双极"性能组合，同时保持30%的优异延伸率，为骨科植入物树立了新标杆。

研究团队采用三项核心技术：1）基于[Mo]eq（等效钼含量）10-13%的β相稳定性调控策略，通过控制Mo含量诱导应力诱发α"马氏体相变；2）多道次热轧结合再结晶控制，将晶粒尺寸从139 μm细化至62 μm；3）X射线衍射（XRD）与电子背散射衍射（EBSD）联用技术解析β/α"双相结构演变规律。

【Alloy composition design】
通过精确计算β稳定元素Mo的等效含量（[Mo]eq=10.8%），在Ti-5Zr-10Nb-4Sn基体中添加3% Mo，既抑制脆性ω相形成，又保留β→α"应力诱发相变能力。这种"亚稳态β相"设计成为实现低模量-高强度组合的化学基础。

【Results】
XRD分析揭示合金以β相为主（衍射峰强度占比>85%），伴随微量α"相（<15%）。随着Mo含量增加，热轧后晶粒尺寸呈梯度递减（139→62 μm），而纳米级α"相含量从7.3%升至12.1%，形成独特的"细晶β+纳米α""双相结构。

【Strengthening mechanism of the increased yield strength】
突破性发现变形晶粒比例（DGP）对强度的主导作用：当DGP从38%提升至72%时，位错密度增加3.2倍，贡献约65%的强度增益。与传统认知不同，该体系中晶界强化（Hall-Petch效应）仅占强度增量的28%，而α"相诱发孪晶界强化贡献7%，颠覆了"细晶化主导强化"的传统理论。

【Conclusion】
该研究通过成分-工艺-结构-性能的四维调控，创建了生物钛合金强化新范式：1）非等原子比设计避免中/高熵合金的晶格畸变缺陷；2）亚稳态β相控制实现42 GPa超低模量；3）变形晶粒比例调控使强度突破800 MPa大关。这种"化学亚稳态+物理变形协同"的设计理念，不仅为骨科植入物提供理想材料，更开辟了金属生物材料强韧化理论的新疆域。

值得注意的是，该合金体系的19.4 GPa·g/cm^?3
比刚度优于传统Ti-6Al-4V（24.1 GPa·g/cm^?3
），意味着在同等承载条件下可减重20%以上。其1.36×10^?2
的Re/E比值较商用β钛合金（0.6-0.9×10^?2
）提升50-120%，堪称"仿生力学适配"的典范。这些突破性进展得益于国家自然科学基金（U22A20108等）和河北省自然科学基金（242Q9906Z）的联合资助，彰显我国在高端生物医用材料领域的原始创新能力。