进入21世纪,医用金属材料正在发生变革。以可降解金属、纳米晶金属、大块非晶合金为代表的新型医用金属材料被尝试作为植入材料,材料属性正在从生物惰性向生物活性和生物功能化(抗菌、抗增生、抗肿瘤)方向发展,同时3D打印技术和薄膜技术也在被尝试用于金属植入器械的先进制造以及智能化。本文综合评述了处于变革中的医用金属材料研究现状,展望了新型医用金属材料功能化、复合化、智能化的未来发展趋势。

通过对3种不同W含量(6%、7%、8%,质量分数)的第三代镍基单晶高温合金铸态、热处理态和热暴露后的组织观察和成分分析,研究了W对元素偏析、热处理组织及热暴露过程中组织演化的影响。结果表明：W含量的提高对合金元素的铸态偏析、完全热处理后的γ′相形貌、尺寸和体积分数均无明显影响。在950 ℃热暴露过程中,W含量的提高抑制了γ′相的粗化,但加速了γ′相的连接变形。3种合金在热暴露过程中析出的TCP相主要为μ相和σ相,且TCP相析出量随W含量的增加而缓慢增大。此外,3种合金在1000 ℃热暴露时TCP相析出量最大,在950 ℃热暴露时次之,在1050 ℃热暴露时析出量最小。

研究了各向异性和偏轴加载对轧制1050车轮钢疲劳性能的影响,获得试样在2种特定加载条件下的疲劳极限,运用SEM观察疲劳断口形貌,并利用有限元分析软件Ansys对0°、30°、45° 3个不同偏轴加载角度的试样进行静力学分析。结果表明：随着试样与轧制方向角度的增加,疲劳极限逐渐降低,0°到45°下降比例约为9%;随着试样偏轴加载角度的增加,疲劳极限亦逐渐降低,0°到45°下降比例约为85%;在偏轴加载的情况下,试样承受的剪切应力与Von Mises等效应力较大,且随着偏轴加载角度的增加而增加。

采用完全淬火+两相区淬火+临界区淬火的三步热处理方式,利用SEM、EBSD、XRD、TEM和EPMA等手段研究了0.12C-3.0Mn低碳中锰钢组织演变规律和力学性能,并对0.12C-3.0Mn钢进行了-40~-196 ℃的系统低温冲击实验研究。结果表明,三步热处理后0.12C-3.0Mn钢的组织为临界铁素体、马氏体/贝氏体和残余奥氏体,残余奥氏体呈块状和条状分布在原奥氏体晶界上和马氏体/贝氏体板条界上,残余奥氏体主要通过临界淬火富集C和Mn元素达到稳定,室温下稳定的残余奥氏体含量最高可达到15%。由于残余奥氏体的应变诱导塑性(TRIP)效应,0.12C-3.0Mn钢具有良好的塑性和优异的低温韧性：断后总延伸率高于30%,均匀延伸率高于16%,-80 ℃下冲击功可达到200 J。

采用激光立体成形技术进行了300M钢修复实验,利用XRD、SEM及动态散斑等手段研究了激光成形修复300M钢沉积态和热处理态的组织及力学性能特征。结果表明,300M钢基材区由马氏体、贝氏体及少量残余奥氏体组成;修复区由顶部的贝氏体组织,中部的马氏体和贝氏体的混合组织,到底部的回火马氏体组织呈现连续转变;热影响区则呈现为不均匀的马氏体组织。经过淬火+回火处理后,各区域的组织变得均匀,均为回火马氏体和贝氏体的混合组织。修复后沉积态试样的拉伸性能远低于锻件标准。但经过热处理后,修复试样的各项力学性能指标均有显著提高。应力-应变测试结果表明,沉积态和热处理态试样在弹性变形阶段的应变都是均匀增加的,而超过最大拉伸强度后,局部应变在修复区急剧增加。这与试样的组织协调变形能力及应变硬化指数有关。

研究了固溶处理制度对不同变形量下的AISI 304奥氏体不锈钢晶间腐蚀性能的影响规律。采用室温单向拉伸实验获取了不同变形量下的AISI 304不锈钢试样,通过XRD测量了其中由于形变诱发的马氏体相的含量,采用电化学动电位再活化法(EPR)研究了固溶处理温度及时间对不同变形量下AISI 304不锈钢晶间腐蚀的影响。实验结果表明,AISI 304不锈钢晶间腐蚀程度随着变形量的增加而提高,而随着固溶处理温度和时间的增加而降低。其原因是由于AISI 304不锈钢形变诱发马氏体相变行为所引起的微观组织变化及其导致的固溶处理初期C元素的偏聚在不同固溶条件下的回复程度不同,从而对后续晶间腐蚀性能产生显著影响。

以2.25Cr1Mo合金为研究对象,利用Gleeble热模拟试验机和Auger能谱仪(AES),研究了合金的高温低塑性发生机理。结果表明,合金高温低塑性发生在850 ℃附近,且塑性极小值对应着晶界杂质S偏聚浓度极大值。利用杂质S的非平衡晶界偏聚特征,解释了2.25Cr1Mo合金高温低塑性现象。

通过SEM、TEM和电化学测试方法研究了Zn-1.2Sb合金中富Sb相的微观结构和电化学性质。结果表明,Zn-1.2Sb合金中的富Sb第二相Sb∶Zn原子比约为2∶3,但其晶体结构与Sb₂Zn₃不同。在不同的pH值环境中,电化学测试显示富Sb相的电化学活性比Zn低。富Sb相对Zn耐蚀性的影响有明显差异,在近中性0.1 mol/L NaCl (pH=6.5)溶液中,富Sb相对纯Zn的腐蚀过程作用不明显,对阳极和阴极氧还原反应均没有显著的促进作用;在酸性0.1 mol/L NaCl (pH=3)溶液中,富Sb相显著促进阴极析氢反应,导致锌合金耐蚀性能变差。

在2219-T8铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头焊核区(NZ)发现了局部液化现象。采用热处理和热模拟2种方法对比分析了局部液化区组织的特点,采用显微硬度计和原位拉伸实验研究了局部液化对接头力学性能的影响。结果表明,局部液化是由NZ中的Al₂Cu相与周围基体的共晶反应,即发生了组分液化所致。液化区为液相+α(Al)相的半固态组织,冷却时高熔点组元α(Al)相先析出,同时在搅拌挤压和材料流动的作用下发生固液分离,形成离异共晶。液化区的硬度低于NZ正常区域,是NZ微区试样断裂的起源,降低了NZ的抗拉强度和延伸率。不过,由于液化区域是局部的、极少量的存在于NZ中,其对接头拉伸性能的影响远小于整体均发生弱化的热机械影响(TMAZ)的影响。

以具有最佳非晶形成能力的新型Fe-B-Si-Hf四元块体非晶合金团簇式成分[Si-B₂Fe_7.7Hf_0.3]Fe (Fe_72.5B_16.7Si_8.3Hf_2.5)为基础,通过添加Fe原子获得了[Si-B₂Fe_7.7Hf_0.3]Fe+Fe_x (x=0、1.5、2、2.5和3,原子个数)系列高Fe含量的Fe-B-Si-Hf四元合金成分。液态急冷、热分析和磁性测量结果表明,随着Fe原子数量的增加,非晶合金的形成能力逐渐降低,形成棒状块体非晶样品的临界尺寸由x=0时的2.5 mm降低到x=2时的1 mm。非晶样品的玻璃态转变温度、晶化温度和Curie温度随Fe原子数量的增加也整体上表现为降低的趋势。该系列非晶样品软磁性能优异,其中[Si-B₂Fe_7.7Hf_0.3]Fe+Fe₂ (Fe_76.4B_14.3Si_7.1Hf_2.2)块体非晶合金的饱和磁化强度和矫顽力分别为1.58 T和2.8 A/m。为建立高Fe含量Fe-B-Si-Hf非晶合金的结构-性能关联,构建了{[Si-B₂Fe_7.7Hf_0.3]+[Fe-Fe₁₄]_x/15}Fe非晶合金的“双团簇”微观结构模型。结果表明,源于α-Fe的[Fe-Fe₁₄]团簇的数量在Fe-B-Si-Hf四元非晶合金的性能变化中起决定作用。

采用简易的水热合成法,制备出了NaNbO₃粉体。通过XRD、Raman、SEM、BET比表面积分析仪和DRUV-Vis分析手段对合成样品进行了系统的表征。XRD和Raman结果表明,所制备的样品为纯正交相NaNbO₃,且不同形貌的NaNbO₃具有各异的主要暴露晶面。基于SEM像的形貌尺寸统计分析结果表明,NaNbO₃的微观形貌随着反应时间的延长,经历了由纳米线到纳米线与微米块混合阶段,最后到更大尺寸的微米块的过程,实现了NaNbO₃的形貌可控合成。结合前人研究结果提出了其生长机理,强调了P123的重要作用。DRUV-Vis结果表明,NaNbO₃纳米线的吸收边缘因量子尺寸效应而发生蓝移。以亚甲基蓝水溶液为研究对象,深入研究了所制备的NaNbO₃样品在紫外光下的光催化降解效率,并与商业化的NaNbO₃进行了对比。结果表明,NaNbO₃的光催化性能具有形貌依赖性,BET比表面积归一化的降解速率大小为：NaNbO₃纳米线 > NaNbO₃微米块 > 商业化NaNbO₃,归因于不同形貌的NaNbO₃具有各异的暴露晶面。