醫(yī)用鈦合金Ti-6Al-4V磁控濺射Ti-Nb表面改性.pdf

1、鈦合金具有優(yōu)良的綜合性能,被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、船舶制造、汽車制造、生物工程等領(lǐng)域。作為生物替代材料的主要材料,鈦合金以其很好的生物相容性成為心臟人工瓣膜、關(guān)節(jié)置換植入物、心臟模擬器、尿路重建等修復(fù)和替代材料的首選。隨著人類生活水平不斷提高、人口持續(xù)增長(zhǎng)以及老齡化的日趨嚴(yán)重,對(duì)生物醫(yī)用鈦合金材料的需求也不斷增加,“廉價(jià)、安全、健康、壽命長(zhǎng)”的醫(yī)用鈦合金材料日益成為人們理想的最佳選擇。
　　醫(yī)用鈦合金的發(fā)展非常迅速,自20世紀(jì)

2、60年代開始,純鈦、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb等鈦合金先后被開發(fā)應(yīng)用,直到目前以Ti-Mo、Ti-Nb、Ti-Ta、Ti-Zr為基體的β鈦合金因具有較低的彈性模量和高強(qiáng)度應(yīng)用最為廣泛。Ti-Nb合金生物相容性好、彈性模量最低且具有形狀記憶效應(yīng),是最具開發(fā)潛力的醫(yī)用鈦合金,其中日本開發(fā)的Ti-Nb-Sn合金強(qiáng)度高達(dá)800MPa,彈性模量為迄今最低的43GPa,非常趨近于人骨彈性模量[1]。然而β鈦合金加工工藝復(fù)雜、成本高的缺

3、點(diǎn)制約了其快速發(fā)展。Ti-6Al-4V鈦合金成本低,是現(xiàn)階段使用量最大的醫(yī)用鈦合金材料,但Ti-6Al-4V在體液中腐蝕釋放的Al離子、V離子和磨損產(chǎn)生的顆粒都會(huì)危害身體健康。選擇恰當(dāng)?shù)谋砻娓男苑椒ㄌ岣吣湍バ院湍透g性能夠在一定程度上彌補(bǔ) Ti-6Al-4V的缺點(diǎn)。本文提出采用磁控濺射技術(shù)在Ti-6Al-4V表面鍍滲 Ti-Nb薄膜進(jìn)行表面改性,在保留其機(jī)械性能優(yōu)點(diǎn)的前提下,提高材料的耐腐蝕和耐磨性能。
　　濺射工藝對(duì)薄膜的性能具

4、有決定性作用,其中影響較大的有:濺射功率、濺射氣壓、濺射時(shí)間、偏壓、基底溫度、靶基距等。設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)濺射功率對(duì) Nb薄膜的耐腐蝕性能、表面粗糙度、表面顆粒大小等影響程度最大;濺射功率200W,濺射氣壓為0.5Pa時(shí),材料表面綜合性能較好。
　　Ti-Nb合金具有彈性模量低、形狀記憶和超彈性行為的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制備了總厚度為1μm的多層結(jié)構(gòu) Ti-35％wtNb改性層(文中簡(jiǎn)寫為Ti-35Nb),調(diào)制比為3.54:1(一個(gè)調(diào)制

5、周期內(nèi) Ti與 Nb的厚度比),調(diào)制周期分別為1000nm、333nm、200nm、125nm。研究結(jié)果顯示,調(diào)制周期200nm五周期樣品表面狀況較好,表面粒徑較小、分布均勻,粗糙度小;耐腐蝕性能和耐磨性能較好,但表面依舊存在界面和應(yīng)力問題。
　　為消除界面、釋放應(yīng)力、強(qiáng)化表面,對(duì)經(jīng)調(diào)制周期200nm的五周期Ti-35%wtNb表面改性的Ti-6Al-4V樣品進(jìn)行真空退火實(shí)驗(yàn),退火溫度分別選取200℃、400℃、600℃,保溫1h

6、后隨爐冷卻。退火后樣品表面完整均勻,無裂紋;硬度明顯提高;耐磨性和耐腐蝕性也明顯改善。分析其原因,隨著退火溫度的升高,原子獲得了足夠的能量滿足擴(kuò)散所需的激活能,擺脫鄰近原子的束縛得以擴(kuò)散,使樣品表面晶粒大小分布均勻且出現(xiàn)固溶強(qiáng)化效果。
　　綜上所述,對(duì)Ti-6Al-4V進(jìn)行磁控濺射Ti-Nb表面改性是可行的。Ti-6Al-4V表面磁控濺射Nb濺射工藝中,濺射功率對(duì)其性能影響程度最大。Ti-6Al-4V表面磁控濺射調(diào)制周期為200n