人工髋关节材料界面间微动腐蚀行为研究

摘要

在人体运动的周期载荷作用下,组合式人工髋关节假体头颈配合面间存在不同形式的微动腐蚀,长期作用可能会造成植入体失效甚至危害人体健康。因此,研究人工髋关节头颈接触界面间的微动腐蚀特性具有重要意义。
　　本文以 Ti6Al4V与 CoCrMo合金为研究对象,分别开展了在不同溶液下两种材料间的电偶腐蚀、销/面与球/面的扭动微动腐蚀与模拟人工髋关节头颈锥度接触扭动微动腐蚀的实验研究,结合多种分析手段,揭示了不同实验条件下Ti6Al4V与CoCrMo间扭动微动腐蚀运行特性和损伤机理。获得了如下结论:
　　1.在生理盐水中,随着浸泡时间的延长,Ti6Al4V合金和CoCrMo合金的之间的电偶电流增大,Ti6Al4V合金由于自生优异的耐腐蚀性而受到阴极保护作用,阻抗值维持在一个较高的值,而CoCrMo合金在电解液中钝化膜不断溶解,与 Ti6Al4V相比相差了至少一个数量级;而在牛血清溶液中 Ti6Al4V合金和CoCrMo合金之间的电偶电流未出现明显增大趋势,两者电位差较小,热力学电偶腐蚀趋向不明显,阳极和阴极不易区分,在较长时间浸泡后,两种合金之间甚至表现出一种协同保护的现象。
　　2.在销-平面微动接触形式下,Ti6Al4V与 CoCrMo合金界面在生理盐水中处于完全滑移状态,磨损区覆盖了整个接触区域,而在牛血清溶液中处于部分滑移状态,严重磨损区主要位于接触区外围,材料的损伤主要表现为磨粒磨损和粘着磨损;球-平面微动接触形式下,Ti6Al4V与 CoCrMo合金界面在小角位移幅值时,扭动微动处于部分滑移状态,在大角位移幅值情况下,扭动微动处于完全滑移状态,随着角位移幅值的增加,剧烈磨损区由接触区的外围逐步向接触区中心扩展。材料的损伤主要表现为磨粒磨损、腐蚀磨损和粘着磨损的共同作用。从三维形貌可以看到,生理盐水中磨损区域的边缘有明显的弧形犁沟。摩擦扭矩可以分为跑合阶段、峰值阶段以及稳定阶段这三个部分。在两种溶液中,阻抗和极化阻力随着法向载荷和角位移幅值的增大会出现明显的下降。
　　3.Ti6Al4V头与CoCrMo颈的锥度接触界面在较小法向载荷情况下,摩擦扭矩数值先增大而后趋于稳定,而在较大载荷时,摩擦扭矩在早期就处于稳定摩擦状态,没有明显的上升阶段。摩擦后的CoCrMo合金试样腐蚀电位明显负移,阳极区电流明显增大,材料腐蚀倾向增大。当角位移幅值θ>1°,摩擦后的CoCrMo合金阻抗下降明显,极化阻力也明显下降。在角位移幅值θ=2°,较小的法向载荷时,试样表面产生明显的滑移带,滑移带内磨损严重,并有腐蚀现象。而较大法向载荷下,磨损表面出现大量的沿着扭动方向划痕,同时伴随有材料的剥落和腐蚀现象,试样表面相对运动以部分滑移为主。

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Contents

图清单

表清单

变量注释表

1绪论

1.1 研究背景 (Background)

1.2 国内外研究现状 (Review of Research)

1.3 微动腐蚀及其影响因素(Fretting Corrosion and Influence Factors)

1.4研究目标和内容 (Research Targets and Contents)

2 试验材料和实验方法

2.1材料及试样加工 (Materials and Sample Process)

2.2 实验装置及试验参数 (Experimental Setup a nd Test Parame ters)

2.3 实验方法 (Experimental Methods)

3 Ti6Al4V合金和CoCrMo合金在模拟体液中的电偶腐蚀行为研究

3.1电偶腐蚀行为 (Galvanic Corrosion Behavior)

3.2电偶腐蚀试验结果分析 (Anal ysis of Galvanic Corrosion Test Results)

3.3本章小结 (Summaries)

4 Ti6Al4V销与CoCrMo平面间的扭动微动腐蚀行为4 Torsional Fretting Corrosion Behavior between Ti6Al4V Pin and CoCrMo Plane

4.1 T-θ 曲线和摩擦扭矩时变曲线(T-θ Curves a nd Ti me-varying Friction Torque Curves)

4.2电化学性能分析 (Analysis of Electrochemical Properties)

4.3试样表面粗糙度分析 (Anal ysis of Ra)

4.4形貌分析 (Morphology Analysis)

4.5 本章小结 (Summaries)

5 Ti6Al4V球与CoCrMo平面间的扭动微动腐蚀行为

5.1 T-θ 曲线和摩擦扭矩时变曲线(T-θ Curves a nd Ti me-varying Friction Torque Curves)

5.2电化学性能分析 (Analysis of Electrochemical Properties)

5.3试样表面粗糙度分析 (Anal ysis of Ra)

5.4形貌分析 (Morphology Analysis)

5.5 本章小结 (Summaries)

6 Ti6Al4V颈和CoCrMo合金头接触面间扭动微动腐蚀行为

6.1扭动微动磨损特性 (Torsional Fretting Wear Characteristics)

6.2电化学性能分析 (Analysis of Electrochemical Properties)

6.3 形貌分析 (Morphology Analysis)

6.4 本章小结 (Summaries)

7结论

参考文献

作者简历

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