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医用钛的腐蚀性能分析

2022-03-10 04:39:21

钛金属作为重要的功能材料,以其密度小、比强度高和耐蚀性好等优点,被广泛应用于航空航天、能源工业、医学用品等领域。医用钛及钛合金的发展历程大致分为3个时期:

  第1时期以纯钛和 Ti-6AI-4V 为代表;第二时期为 α+β 型合金,以 Ti-5A1-2.5Fe 和Ti-6Al-7Nb 为代表;第三时期以研制生物性能更好、弹性模量更低的 β 型钛合金为主要防线。新的钛合金材料的应用将是目前主流医疗器械发展的方向。

  关于医用钛合金材料的研究在我国开始于 20 世纪 70 年代,西北有色金属研究院研制出 Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr(TAMZ),在90年代又相继开发出具有自主知识产权的Ti-6Al-4V, Ti-Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb材料。中国科学院也开发出新型 β 钛合金Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn。 我国目前的钛合金发展以突破性的新材料和钛合金材料的积极应用为主要方向。

1、钛在不同介质中的耐腐蚀性

  研究医用材料的耐蚀性能相当重要。一方面,植入材料的部分金属离子或腐蚀产物渗入生物体组织,可引发不同程度的生理反应;另一方面,由于体液的存在,某些材料的性能可能会严重下降,致使其迅速损坏甚至失效。 人体环境相对复杂,更容易造成微量元素的溶解,改变氧化层的稳定性。轻微的摩擦可使钛表面形成的钝化膜遭受不同程度的破坏,如在贫氧的环境中,氧化层的稳定性减弱,受到破坏时不能立即修复或形成新的氧化层, 更易引起腐蚀。而这种情况在人体的反复运动和器械配合使用中几乎无法避免。塑性变形会改变材料的组织状态, 进而使材料的腐蚀性能受到影响。 不同程度的塑性变形对材料的腐蚀性能影响差异较大。在塑性变形过程中, 由于内部应力的集中致使界面和晶粒中产生缺陷,因此,塑性变形会弱化材料的耐腐蚀能力。

  2、钛的腐蚀机理

  钛是 IVB 族过渡元素,化学性质较活泼,与氧有很大的亲合力。在任何含氧介质中,钛的表面容易生成一层致密的钝化膜,这层钝化膜极薄,其厚度通常为几纳米~几十纳米。 钛合金钝化膜的存在致使表面活性溶解的面积减少,溶解速率减慢,从而抵制了溶解造成的损害。 另外,钝化膜也能够自动修复,当受到破坏时,能迅速地形成新的保护膜。 因此,钛的耐蚀性能良好。植入生物体的金属钛,腐蚀形式可分为孔蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀以及磨损腐蚀等。


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