铁铌调控钛基合金性能 推动低成本植入物研发

生物医学材料领域正致力于开发兼具高强度与良好塑性的金属植入物，以应对骨科及心血管支架的临床需求。尽管钛合金、不锈钢和钴铬合金目前占据主导地位，但其耐磨性不足导致的“颗粒病”及腐蚀磨损问题仍制约着植入物的使用寿命。高熵合金（HEAs）因其独特的构型熵效应和晶格畸变，展现出超越传统合金的力学与耐腐蚀性能，成为下一代生物医用材料的有力竞争者。其中，基于钛、锆、铌等低毒元素的难熔高熵合金因具备体心立方（BCC）结构及优异的生物相容性，受到广泛关注。

成分设计与微观结构演变

本研究针对Ti30Cr20Mo15Zr10Ta5Nb20-xFex成分复杂合金（CCAs），系统探究了微观结构与性能的关联。研究制备了两种合金：一种为含20 at.%铌的Ti30Cr20Mo15Zr10Ta5Nb20（简称20Nb合金），另一种为用10 at.%铁部分替代铌形成的Ti30Cr20Mo15Zr10Ta5Nb10Fe10（简称10Fe10Nb合金）。理论计算基于Hume-Rothery规则及热力学参数，证实两种合金均倾向于形成BCC固溶体，且低价电子浓度有利于BCC相的稳定。微观结构分析显示，两者均呈现枝晶状结构，主相为BCC1，次要相为BCC2。值得注意的是，含铁合金中形成了更多与锆、铬、钽和钛相关的金属间化合物，这表明铁的引入促进了金属间化合物的析出，同时降低了固溶体相的强度。

力学性能与耐腐蚀机制

在力学性能方面，10Fe10Nb合金表现出更高的硬度（667 HV）和杨氏模量（102.47 GPa），优于20Nb合金（硬度584 HV，杨氏模量85.92 GPa）。这种性能提升归因于铁元素引入后形成的更多强化相。在耐腐蚀性测试中，研究模拟了生理环境下的盐水溶液，并考察了羟基磷灰石（HA）的影响。未添加HA时，20Nb合金的腐蚀速率（39.09 μm/y）低于10Fe10Nb合金（61.84 μm/y），主要得益于铌促进形成的致密Nb2O5和NbO2钝化膜。然而，当溶液中加入3 g HA抑制剂后，两种合金的耐腐蚀性均显著提升，腐蚀速率分别降至1.94 μm/y和0.38 μm/y。这表明Fe-Nb氧化物与沉积的HA之间存在有效相互作用，进一步增强了钝化膜的厚度与致密性。

该研究通过平衡铌和铁的含量，成功调控了Ti基成分复杂合金的性能组合。铁的引入不仅降低了材料成本（铁熔点低且易于熔炼均匀），还通过细化枝晶和增加金属间化合物提高了硬度和模量，使其更贴近骨骼的力学特性，减少应力屏蔽效应。同时，HA的存在极大地改善了合金在生理环境中的稳定性，证明了该体系在骨科植入物应用中的潜力。

对国内材料研发的启示

我国在高端医疗植入物领域正加速国产替代进程，但高性能钛合金及高熵合金的成本控制与性能优化仍是关键瓶颈。本研究提供的“低成本元素替代+生物活性涂层协同”策略具有重要参考价值。国内科研机构与企业可借鉴此思路，利用铁、锰等廉价元素部分替代昂贵的铌、钽，通过微观组织调控实现力学性能的精准匹配，并结合表面改性技术提升耐腐蚀性，从而开发出兼具高性能与高性价比的新一代生物医用金属材料，推动我国医疗器械产业链的技术升级。