导读：由于其卓越的机械性能和生物相容性，β-Ti合金在生物医学领域引起了广泛关注。然而，同时提升屈服强度和延展性仍是一个持续的挑战，限制了其更广泛的应用。本研究中，我们仅将0.3 wt.%的间隙氧原子引入β型Ti-35Nb-9Zr-7Sn合金，诱导晶界处的局部化学有序（LCO）和面心立方（FCC）纳米层，显著提升了原均质和輯成试样的屈服强度和伸长性。通过将平面位错滑移转化为波状滑移，粒内LCO结构促进双重交叉滑移和位错倍增，共同增强应变硬化行为。与此同时，间隙中由氧驱动的FCC相纳米层促进位错在晶界上滑移，进一步提升延展性。这种以氧气为驱动的策略克服了传统的强度与延展性权衡，为设计下一代承载生物医学β-Ti合金提供了有前景的道路。
对长寿、健康和高生活质量的追求持续推动了对先进生物医学材料的需求，尤其是那些用于修复或替换病变组织和器官的材料。金属生物材料因其独特的高强度、可加工性、耐用性和良好的血液相容性而成为承重医疗设备的重要组成部分。虽然不锈钢和钴基合金曾被广泛使用，但由于其高弹性模数带来的有毒离子释放和应力屏蔽效应的担忧，其临床应用已被限制。
由于镁（Mg）基和钛（Ti）基金属生物材料弹性模量低且在人体条件下生物相容性更佳，其应用代表了减少应力屏蔽效应的两大主要途径。镁基合金因其在生理环境中的快速腐蚀速度，成为新一代可生物降解生物材料的革命性应用，这可能消除修复后移除植入物组件的必要。然而，镁基合金的主要限制在于其在生理条件下的快速腐蚀，导致氢气快速释放。相比之下，钛合金具有稳定的长期机械性能、优异的耐腐蚀性和可靠的生物相容性，使其特别适合永久或长期承载应用。因此，虽然Mg合金为临时植入物提供了独特优势，钛合金仍是开发下一代生物医学材料以实现持续承载应用的更坚实基础。
在各种钛合金中，β-Ti合金的弹性模量与皮层骨高度匹配，有效减轻了应力屏蔽，降低了植入物修复的风险。研究最深入的生物医学β-Ti系统包括基于Ti-Zr的、基于Ti-Mo的Ti-Nb-based 以及基于Ti-Ta的合金。例如，Ozan 等人制造了一种β型 Ti-Nb-Zr 合金，杨氏模数为 62 GPa，其细胞存活率高于对照组，具有优异的细胞相容性。Bertrand 等人合成了一种β型 Ti-Ta-Nb 合金，杨氏模量为 55 GPa，Ti-Ta-Nb 合金在腐蚀和离子释放率方面低于商业纯钛。尽管有这些优势，大多数生物医学β-Ti合金仍无法满足医疗金属植入物的长期应用要求。这主要归因于通过亚稳态相诱导马氏体转变提升了延展性和极限拉伸强度，但它们通常表现出较低的屈服强度（通常低于400兆帕），限制了其长期承载性能。由于屈服强度决定材料对塑性变形的抵抗力及其服役可靠性，开发同时提升屈服强度和延展性的β-Ti合金已成为合金设计中的核心挑战。
解决这一挑战的努力通常包括增加β稳定元素数量以抑制马氏体转变，从而提升屈服强度。然而，这些方法通常会提高屈服强度，同时降低延展性。作为替代方案，间隙强化因其效率和可扩展性而备受关注 。在间隙溶质中，氧是钛合金中研究最广泛的元素，已知通过与位错的强烈排斥作用显著提升屈服强度，即使在微量水平下.然而，通过增加氧含量显著增强的强度，也伴随着延展性的严重下降。
近期研究为氧原子在强化和增强金属材料中的机制提供了新的见解。例如，Lu等人发现高熵合金中可以形成有序氧配合物，从而提升机械性能和延展性。Wang 等人证明，将富含氧气的 FCC Ti 相纳入 Ti-6Al-4 V 可显著提升屈服强度，同时不影响延展性。同样，Chong等人指出，沿晶界稀释的氧分离可能促进钛合金的强度-延展性协同。这些发现表明，尽管氧气在合金设计中仍是一把双刃剑，但其效应高度可调，取决于其分布及与金属基体的相互作用。因此，在钛合金冶金加工中，精确控制氧含量及其空间分布对于优化拉伸屈服强度和延展性至关重要。
基于这一理解，本研究向Ti-35Nb-9Zr-7Sn（以比重百分比，除非特别说明）生物医用β-Ti合金中引入0.3 wt. %的间质氧，并提出了一种氧驱动的双相纳米结构调控策略。通过这种方法，原均质合金和轧制合金同时实现屈服强度和断裂伸长的提升，有效打破了传统的强度与延展性权衡。微观结构分析显示，颗粒内氧促进液氧，将位错滑移从平面模式转变为波状模式，从而实现多次交叉滑移事件并增强应变硬化能力。同时，晶界处的氧分离导致富氧的FCC纳米层形成，促进跨粒位错运动，进一步增强延展性。本研究系统阐明了间隙氧在调节β-Ti合金颗粒内和晶界结构中的双重作用，为克服强度-延展性困境提供了可行路径，并指导先进高性能生物医学钛合金的发展。
该研究以Simultaneous enhancement of strength and ductility of biomedical β-type Ti-35Nb-9Zr-7Sn alloy through oxygen-driven local chemical ordering and grain boundary nanolayers发表在Acta Materialia
图 1 本研究中生物医用β-Ti合金制备流程图。
图 2 HT-TNZSO和HT-TNZS合金的微观结构特性。
图 3 HT-TNZSO合金中界面纳米层的3D-APT及球形像差校正TEM微观结构。（a）3D-APT实验前样品的TEM图像;（b）利用3D-APT重建的原子图谱;（c）对应于（b）黄色线的组成剖面;（d）沿[011]的界面纳米层的STEM-HADDF图像联邦通信委员会区轴;（e） 界面纳米层的STEM-ABF图像;（f） （e）中红色方块的放大图像，显示FCC晶体结构。白色箭头突出显示FCC晶格中的氧原子柱。
图 4 HT-TNZSO合金中β-Ti基体的球像差校正TEM微观结构。（a1）沿[110]的β-Ti矩阵的像差校正STEM-HADDF图像β-Ti区域轴线;（a2）放大的HADDF图像及相应的原子分辨率EDS图;（a3）黄色方块区域元素分布的线扫描剖面见（a2）;（b） 对应的FFT模式（a1）;（c） β-Ti 矩阵中 LCO 结构域的 IFFT 图像;（d） LCO结构域叠加BCC-Ti晶格的IFFT图像。内嵌呈现黄色区域的放大视图;（e） 黄色区域的强度线剖面，如（c）所示;（F1）β-Ti基质的STEM-ABF图像;（f2）（f1）中红色方块的放大图像，显示β-Ti矩阵中的LCO结构。
图 5 LCO结构和FCC纳米层形成机制的第一原理计算结果。（a） 33Ti-10Nb-3Zr-2Sn BCC 结构超单体;（b）超胞体中一个氧原子占据的四种位置;（c） 由一个氧原子占据的四种位置结合能;（d）-（f） 电荷密度差异;（g） 包含间隙O原子的BCC-Ti超级胞模型;（h） 包含间隙O原子的FCC-Ti超级单元模型;（i） 含有不同成分的间质O原子的FCC-Ti和BCC-Ti结构的结合能。
图 6 TNZS和TNZSO合金在不同制造条件下的室温拉伸行为。
本研究提出了一种策略，通过氧驱动的局部化学排序和晶界纳米层，同时提升生物医用β型Ti-35Nb-9Zr-7Sn合金的强度和延展性。值得注意的是，仅向原均质或轧制的Ti-35Nb-9Zr-7Sn合金中加入0.3 wt. %的氧气，即可同时提升屈服强度和拉伸延展性，有效克服了传统的强度-延展性限制。先进的微观结构表征表明，其优异的机械性能源自晶界内的LCO结构和晶界上的FCC相纳米层。通过将平面滑移转化为波状滑移，LCO结构促进反复的交叉滑移和持续位错积累，从而促进加工硬化。与此同时，间隙氧驱动的FCC相纳米层可促进位错在晶界间滑移，从而减轻颗粒间裂纹。这些颗粒内和界面机制为生物医用β-Ti合金实现卓越屈服强度和延展性的协同提供了坚实的途径。
