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新型的无毒β钛合金具有较低弹性模量、较高的比强度以及良好的耐蚀性能和生物相容性,被认为是最具有应用前景的生物医用金属材料之一。传统提高β钛合金强度的方法,通常会在提高合金强度的同时,导致其弹性模量的增加。而调幅分解具有析出相组织细小、均匀、晶体结构相同等优点,可在不提高合金弹性模量的前提下,大幅提高合金的强度。Ti-Zr-Ta三元合金系的相图中存在有较宽的固溶度间隙,这为设计低模量高强度调幅分解型Ti-Zr-Ta合金提供了基础。因此,本文以Ti-Zr-Ta作为研究对象,基于合金热力学和d-电子轨道理论,设计了具有调幅分解的高强、低弹的Ti-Zr-Ta合金,并对所设计的合金在时效过程的显微组织演化及其对合金力学性能的影响进行了研究,探讨了Ti-Zr-Ta合金的调幅强化机理。主要研究内容和结论如下:(1)基于Ti-Zr-Ta合金三元相图和d-电子轨道理论,设计了具有调幅分解且弹性模量较低的Ti-40Zr-20Ta、Ti-35Zr-20Ta和Ti-30Zr-20Ta三种成分的合金,并对这三种合金的显微组织与力学性能进行了表征,结果表明,所设计的三种合金在适当的温度下进行时效,均可发生调幅分解;其中Zr含量较高的Ti-40Zr-20Ta合金在固溶处理(1173 K/3 h)+时效(973 K/10 h)处理之后,表现出较高的屈服强度(1769 MPa)和更低的弹性模量(83 GPa);随着Zr元素含量的增加,合金的弹性模量降低,强度升高。(2)采用不同温度和时间,对所设计的三种Ti-Zr-Ta合金进行了时效处理,并对合金在时效过程中的显微组织演化及其对合金力学性能的影响进行了研究。研究结果表明,在923 K、973 K和1023 K下时效处理后,三种合金均发生了调幅分解,且在973 K下时效后的合金表现出较好的综合力学性能;在973 K下对合金进行时效处理,随着时效时间的增加,调幅组织的体积分数增加;而合金的屈服强度和硬度随着时效时间的延长,呈现先增加后稍有下降后保持稳定。(3)对Ti-Zr-Ta合金中的调幅强化机理进行了分析。结果表明,在时效的初期,调幅组织的波长随时间变化很小,而随着时效时间的进一步延长,其波长不断增加,且波长和时效时间呈正比关系;合金的屈服强度增量随着波长的增长先升高后下降;定量分析结果表明,在时效前期,合金的屈服强度增量和波长成正比;而在时效后期,屈服强度和波长成反比。