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随着人口老龄化的加剧,越来越多的老年人需要进行病变牙齿的置换,因此牙种植体的需求量也在逐年增加。种植体在人口腔内要承受无数次咀嚼所产生的的应力作用,再加上口腔特殊的唾液环境,种植体会发生疲劳现象,严重会出现折断现象,影响了种植体的使用寿命。目前临床主要使用的种植体材料有纯钛、Ti-6Al-4V等,但是纯钛的强度低、疲劳性能差,Ti-6A1-4V含有有毒元素Al、V,使用中受到了很大的限制。针对以上问题,本文研究了两种新型的Ti-Zr合金,分别是Ti-16Zr和Ti-50Zr(wt.%)合金,还有一种传统的医用Ti-6Al-7Nb(wt.%)合金作为对比。利用光学显微镜、XRD、SEM、TEM、万能电子试验机等手段研究了不同冷、热加工及热处理工艺对合金显微组织、微观结构和力学性能的影响,确定了合金的最佳强化工艺。强化后的Ti-6Al-7Nb合金进行了光滑试样疲劳性能测试,而Ti-16Zr和Ti-50Zr合金分别进行了光滑试样和种植体的疲劳性能测试。实验结果表明,热轧态Ti-16Zr合金经过850℃/1 h固溶处理(水冷和空冷)后,硬度、强度和塑性等力学性能无显著变化;经过冷加工后Ti-16Zr合金强度和硬度显著提高,塑性下降;冷加工后的合金退火后,强度和硬度大幅度下降,恢复到热轧态水平。冷加工Ti-16Zr合金满足种植体力学性能要求,其强化机制是固溶强化和位错强化,具体力学性能为:Rp0.2=813 MPa,Rm=852 MPa,A=14.1%,Z=51.9%,HV=311,σ-1≥380 MPa。热轧态Ti-50Zr合金经过700℃/1h固溶处理(空冷)后,强度和硬度有所下降,塑性基本不变。热轧态Ti-50Zr合金强化机制是固溶强化、细晶强化和位错强化,具体力学性能为:Rp0.2=1001 MPa,Rm=1045 MPa,A=12.2%,Z=26.9%,HV=368,σ-1≥500 MPa。热处理对Ti-6Al-7Nb合金的组织和力学性能影响很大。随着固溶温度的升高,Ti-6Al-7Nb合金的硬度显著增加,时效处理可以进一步提高硬度,其中经过980℃/0.5 h水冷+600℃/6 h空冷后硬度达到峰值。固溶温度对合金的拉伸强度影响不大,但延伸率和断面收缩率随固溶温度的升高逐渐减小。综合考虑热处理对Ti-6Al-7Nb合金拉仲和疲劳性能的影响,其最佳热处理强化工艺为930℃/0.5 h水冷+600℃/4 h空冷。合金强化机制是细晶强化和次生α相强化,其具体性能为:Rp0.2=920 MPa,Rm=982 MPa,A=16.3%,Z=47.5%,HV=353,σ-1≥490 MPa。各项指标均达到了外科植入物用钛及钛合金加工国家标准。种植体疲劳实验结果表明:在空气、人工唾液、喷砂酸蚀三种条件下,Ti-16Zr种植体的疲劳极限分别是300 N,300 N,200 N。与空气条件相比,在人工唾液环境下Ti-16Zr种植体发生腐蚀疲劳,造成疲劳性能的降低。而在喷砂酸蚀条件下,表面粗糙度的增大易于产生应力集中,导致疲劳裂纹早期形成,使疲劳极限显著下降。在空气、人工唾液、喷砂酸蚀三种条件下,Ti-50Zr种植体的疲劳极限分别是400N,400 N,350N,其疲劳性能的变化规律与Ti-16Zr种植体类似。在相同条件下,Ti-50Zr种植体的疲劳性能均优于Ti-16Zr种植体,一方面归因于Ti-50Zr合金强度高于Ti-16Zr合金,另一方面,Ti-50Zr合金因其含有更多的Zr元素,能够促进表面钝化膜的形成,增强钝化膜的稳定性,提高抗蚀性,利于改善腐蚀疲劳性能。