富氧氣氛下鈦合金加工表面氧化膜形成及其生物相容性研究.pdf

1、醫(yī)用鈦合金因具有良好的力學(xué)、物理、化學(xué)性能及出色的生物相容性，成為了人造關(guān)節(jié)，牙植入體及骨創(chuàng)傷產(chǎn)品等硬組織替代物及修復(fù)物的首選材料。鈦及鈦合金植入體在植入之前需要進(jìn)行表面改性，以提高其耐腐蝕性及生物活性。目前國內(nèi)外鈦合金植入體的表面改性方法均是在機(jī)械加工成形之后，其缺點(diǎn)是工藝鏈長、工藝設(shè)備復(fù)雜、效率低、成本高。鑒于此，本研究提出了一種切削加工成形與表面改性于一體的鈦合金植入體制備新方法;利用切削加工產(chǎn)生的切削熱進(jìn)行表面氧化改性，提高其耐

2、腐蝕性;利用切削加工形成的特定表面形貌提高其生物活性。從可持續(xù)發(fā)展的角度開發(fā)出一種針對(duì)鈦合金植入體的新型綠色切削加工制備方法，對(duì)縮短工藝鏈、提高效率、降低成本、保護(hù)環(huán)境、提高鈦合金植入體制造技術(shù)水平和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力有重要作用。主要研究工作如下:
　　首先，基于氧化熱力學(xué)研究鈦合金氧化膜產(chǎn)生的機(jī)理，確定形成致密二氧化鈦膜的條件?；谖锢砘瘜W(xué)理論，分析鈦合金氧化過程中鈦離子和氧離子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，揭示鈦合金氧化速度的主要控制因素。研究結(jié)果表明

3、:形成致密二氧化鈦氧化膜的最佳溫度范圍為600-900℃，此溫度范圍內(nèi)鈦合金氧化速度的主要控制因素為氧離子通過氧化膜的擴(kuò)散速度。
　　其次，基于菲克第一定律及阿列紐斯公式建立鈦合金氧化動(dòng)力學(xué)模型，研究影響氧化速度的主要因素。采用MATLAB對(duì)鈦合金氧化動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，分析各因素對(duì)氧化速度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:影響鈦合金氧化速度的主要因素為氧化溫度、富氧濃度及富氧壓力、晶粒細(xì)化程度及氧化膜厚度;提高氧化溫度、富氧濃度及富氧壓

4、力、晶粒細(xì)化程度可加速鈦合金的氧化，但氧化膜厚度的增加會(huì)降低鈦合金氧化速度。
　　然后，搭建富氧氣氛下切削加工工藝試驗(yàn)平臺(tái)，采用Deform3D有限元仿真軟件對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將切削溫度控制在最佳氧化溫度范圍。進(jìn)行不同切削參數(shù)及不同富氧氣氛下切削加工試驗(yàn)，對(duì)鈦合金加工表面氧化膜成分和厚度，表面形貌及表層晶粒進(jìn)行表征，分析切削溫度，富氧濃度和晶粒細(xì)化程度等因素對(duì)氧化速度的影響規(guī)律。將試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果對(duì)比，富氧氣氛下切削加工能夠顯

5、著提高鈦合金加工表面氧化膜的厚度及致密性，驗(yàn)證了氧化動(dòng)力學(xué)模型的正確性。
　　最后，對(duì)富氧氣氛下切削加工表面進(jìn)行耐腐蝕性及生物活性評(píng)價(jià)。通過模擬體液浸泡試驗(yàn)及電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，研究富氧氣氛下切削鈦合金表面的腐蝕機(jī)理和主要影響因素。通過體外細(xì)胞培養(yǎng)，觀測(cè)細(xì)胞的黏附、鋪展、增殖、分化及礦化等細(xì)胞行為，研究加工表面的生物活性，分析加工表面對(duì)細(xì)胞行為的調(diào)控機(jī)理。研究結(jié)果表明:富氧氣氛下切削加工生成的氧化膜能夠顯著提高鈦合金的耐腐蝕性，而且表