Ti-Nb合金的腐蚀性能及生物活性研究

摘要

Ti-Nb 合金不仅具有较低的弹性模量，而且在一定成分区间还会表现出形状记忆效果，因而，作为医用植入材料具有很大的应用潜力。近年来，对该合金的成分、相组成、力学性能及形状记忆特性均做了较为深入的研究。作为医用植入材料，不仅需要良好的力学性能，还需要有优良的抗腐蚀性能和生物相容性。因此，本论文在充分认识Ti-Nb 合金的合金元素及热处理工艺与显微组织及力学性能关系的基础上，研究了Nb 含量及显微组织对合金在NaCl 溶液中的腐蚀行为的影响，并对不同Nb 含量的Ti-Nb 合金在人体模拟液中的生物活性进行了评估。同时，用粉末冶金法制备了Ti-35Nb 泡沫材料，研究了表面活性处理时的强碱浸蚀作用对其力学性能的影响。
　　 研究结果表明，Nb 含量对Ti-Nb 合金的显微组织有很大影响，固溶状态下，Nb 含量为25-45wt.％的Ti-Nb 合金主要由β和α''相组成，Nb 含量超过30wt.％时，合金主要由β相组成，而当Nb 含量降低到25wt.％时，合金主要由α''相组成。Nb 含量及显微组织对Ti-Nb 合金的力学性能会产生显著影响，随着Nb 含量的增加，硬度值先减小后增加，Ti-40Nb 合金的硬度达到最小值。而对于Ti-25Nb 合金，当时效温度为400 ℃时，硬度值明显增加，而当时效温度进一步提高到500 ℃时，合金的硬度有所降低。电化学腐蚀实验结果表明，在NaCl 溶液中，Ti-Nb 合金表现出较高的抗腐蚀性能。Nb 含量及显微组织对合金的抗腐蚀性能有一定的影响，具体表现在随Nb 含量的增加，合金的抗腐蚀能力增强，Ti-35Nb 合金表现出最佳的抗腐蚀性能。而对于Ti-25Nb 合金来说，单相马氏体α''组织较两相组织具有更优的抗腐蚀性能。Nb 含量对Ti-Nb 合金的生物活性有很大的影响，经碱处理和热处理后的Ti-25Nb 合金在人体模拟液中浸泡3周后可得到致密均匀的磷酸钙沉积层，表现出良好的的生物活性，而随着Nb含量的增加，合金表面形成磷酸钙的能力下降。碱处理和热处理后能大幅度降低多孔Ti-Nb 合金的强度，其原因在于强碱对多孔材料的孔壁腐蚀损伤较大，其腐蚀缺陷与孔壁的尺度相当，从而引起多孔材料宏观强度的降低，并表现出一定的脆性。