【摘 要】
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由于社会老龄化及生活水平的提高,国内对医用合金材料的用量快速增加,但我国大部分的高端医疗器械仍然采用进口,其主要问题是目前采用的加工方法都不可避免地会对医用合金材料造成加工损伤,如传统机械抛光会使医用合金材料表面产生变形、残余应力、硬化层等问题,影响使用寿命,电解抛光后的表面质量不均匀且易残留化学物质达不到医用标准,研究医用合金材料无损伤光滑表面加工方法,是当前急需解决的关键问题。本文提出医用合金
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由于社会老龄化及生活水平的提高,国内对医用合金材料的用量快速增加,但我国大部分的高端医疗器械仍然采用进口,其主要问题是目前采用的加工方法都不可避免地会对医用合金材料造成加工损伤,如传统机械抛光会使医用合金材料表面产生变形、残余应力、硬化层等问题,影响使用寿命,电解抛光后的表面质量不均匀且易残留化学物质达不到医用标准,研究医用合金材料无损伤光滑表面加工方法,是当前急需解决的关键问题。本文提出医用合金材料动态磁场集群磁流变抛光方法,在保护材料自身化学成分纯洁性的前提下,实现对医用合金材料表面的高效率、超光滑加工。本文的主要研究内容如下:首先,通过有限元仿真软件COMSOL研究医用合金材料动态磁场集群磁流变抛光方法,发现相较于传统磁流变抛光,采用永磁体偏心转动可以增加有效抛光面积,避免磁场径向分布不均匀,同时产生的磁场大小及位置时时变化,可有助于磨料的更新及抛光垫的实时整形,为实现医用合金材料高效率、超光滑加工提供了理论支持。其次,采用动态磁场集群磁流变抛光方法对两种典型的医用合金材料(医用TC4钛合金及锆基非晶合金)进行了系统的抛光实验,通过单因素实验和正交实验研究了磁流变抛光液参数及工艺参数对医用合金材料抛光效果的影响规律,获得了不同材料的最优工艺参数。采用粒径5μm氧化铝磨料,在加工间隙1 mm,抛光盘转速25 r/min的工艺下,对医用TC4钛合金抛光4 h,可获得表面粗糙度Ra为2.87 nm的光滑表面;采用质量分数为7 wt.%的3μm碳化硅磨料,质量分数为20 wt.%的羰基铁粉,在加工间隙1 mm,抛光盘转速35 r/min,磁极转速30 r/min,工件转速350 r/min的工艺条件下,对医用锆基非晶合金抛光1 h,可将表面粗糙度Ra下降至4.93 nm。最后,研究动态磁场集群磁流变抛光加工对医用合金材料表面性能的影响。采用扫描电镜对医用TC4钛合金表面成分进行检测,抛光前后元素含量无明显变化,整个抛光过程不存在铁粉黏附及氧化反应。抛光过程对显微硬度影响不大,但可使工件表面由疏水性变为亲水性,改善医用合金材料的生物相容性。采用介质浸泡法研究医用合金的耐腐蚀性,抛光后的工件经Hank’s人工体液浸泡90 d后,表面粗糙度增加值更小,表面无结晶状物质。使用摩擦磨损仪测试医用合金材料在Hank’s人工体液中的摩擦磨损性能,经磁流变抛光后,摩擦系数降低,磨痕宽度更窄,耐磨性能有了进一步的改善。综合可知,经动态磁场集群磁流变抛光后的医用合金材料各项性能都有一定的提升。
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