【摘 要】
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钛及钛合金由于具有良好的力学性能、优异的耐腐蚀性和生物相容性,在生物医用植入材料领域得到广泛的应用。但是由于钛合金具有较高的弹性模量和较低的耐磨性,在临床应用上面
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钛及钛合金由于具有良好的力学性能、优异的耐腐蚀性和生物相容性,在生物医用植入材料领域得到广泛的应用。但是由于钛合金具有较高的弹性模量和较低的耐磨性,在临床应用上面临着弹性模量失配造成的“应力遮挡”效应和腐蚀磨损导致的“颗粒性疾病”的风险。Ti基非晶合金具有较低的弹性模量和高耐磨性,能在一定程度上缓解传统钛合金在应用过程中面临的问题,在生物医用植入材料领域表现出较好的应用前景。本文以Ti基块体非晶合金为研究对象,系统研究了其力学性能、腐蚀行为、摩擦磨损行为及腐蚀磨损行为,讨论了其在模拟人体体液中的腐蚀磨损交互作用机理,在此基础上研究表面氧化热处理对Ti基块体非晶合金的腐蚀磨损行为的影响,以进一步提高其耐腐蚀磨损性能。首先,研究了Ti基块体非晶合金的力学性能和干摩擦磨损行为。Ti基块体非晶合金的硬度为7.2 GPa,压缩强度为2.3 GPa,弹性模量为95 GPa,断裂韧性为45MPa·m1/2。Ti基块体非晶合金的干摩擦磨损速率为6.1×10-8mm3/mm·N,低于Ti-6Al-4V合金的3.5×10-7mm3/mm·N,表现出更高的耐磨性。Ti基非晶合金的干摩擦磨损机理是磨粒磨损和氧化磨损,其高耐磨性与其具有较高的硬度和断裂韧性有关。其次,研究了Ti基块体非晶合金在模拟人体溶液中的湿摩擦行为和电化学腐蚀摩擦磨损行为。Ti基块体非晶合金的湿摩擦磨损速率为8.0×10-8mm3/mm·N,低于Ti-6Al-4V合金,表现出更好的耐磨性,磨损机理为磨粒磨损和腐蚀磨损。Ti基块体非晶合金在磷酸盐缓冲液(PBS溶液)中具有较高的腐蚀电位和低的腐蚀电流密度,具有较好的耐腐蚀性能。Ti基块体非晶合金在PBS溶液中表现出的良好的耐腐蚀性是因为其表面生成了高保护性的Ti O2和Zr O2钝化膜。电化学摩擦磨损实验结果表明,Ti基块体非晶合金在摩擦条件下具有较低的钝化电流密度,表明其钝化膜具有较高的稳定性,从而具有较高的耐腐蚀磨损性能。最后,研究了经过300℃(T-300)和400℃(T-400)表面氧化处理的Ti基块体非晶合金的电化学行为和腐蚀磨损行为。经过热处理后Ti基非晶合金表面生成了颗粒状的Cu2O氧化物,随着热处理温度的升高,表面氧化物颗粒增多,合金表面氧含量显著增高。T-300合金和T-400合金的耐磨性优于Ti基块体非晶合金,随着热处理温度升高,合金的腐蚀电位升高,腐蚀电流密度下降,耐腐蚀性能提高。电化学腐蚀磨损实验结果表明,T-300合金和T-400合金在摩擦作用下具有较低的钝化电流密度,T-300合金和T-400合金没有发生点蚀现象,随着热处理温度的提高,合金的点蚀抗力提高,这是其具有高耐腐蚀磨损性能的主要原因。综上所述,Ti基块体非晶合金具有良好的力学性能、耐腐蚀性能和耐腐蚀磨损性能,氧化热处理能有效改善Ti基块体非晶合金的耐磨性和耐蚀性,有助于促进其在生物医用植入材料领域的应用。
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