醫(yī)用Ti-Nb基記憶合金的顯微組織與性能.pdf

1、本論文采用金相組織觀察、X射線衍射分析、透射電子顯微觀察、室溫拉伸、彎曲實(shí)驗(yàn)、摩擦實(shí)驗(yàn)、電化學(xué)實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞毒性測試、溶血率測試及血小板粘附實(shí)驗(yàn)研究了Ti-Nb二元合金、Ti-Nb-Zr及Ti-Nb-Hf三元合金的微觀結(jié)構(gòu)、相組成、力學(xué)性能、抗腐蝕性及生物相容性，主要考察合金元素(Nb、Zr、Hf)及處理工藝對(duì)Ti-Nb基合金的影響規(guī)律。
　　研究發(fā)現(xiàn)：向鈦合金中添加Nb、Zr、Hf元素均能夠穩(wěn)定β相。鈦合金固溶水冷時(shí)，隨著合金元素含

2、量的增加，β相變穩(wěn)定，阻礙α''馬氏體和ω相的形成；時(shí)效處理時(shí)隨著鈦合金中Nb、Zr及Hf元素含量的增加，阻礙亞穩(wěn)β相的分解和α相的出現(xiàn)。XRD結(jié)果表明Hf元素對(duì)β相的穩(wěn)定效果強(qiáng)于Zr元素。TEM實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明固溶態(tài)Ti-16Nb合金中馬氏體組織形態(tài)為板條狀，亞結(jié)構(gòu)為(111)I型孿晶，此外還觀察到ω相的析出；Ti-25Nb合金和Ti-26.5Nb合金為β相，存在條帶形貌的位錯(cuò)組態(tài)和層錯(cuò)。固溶態(tài)Ti-Nb-Zr合金和Ti-Nb-Hf合金也

3、為單相β，母相β相中有大量位錯(cuò)出現(xiàn)。退火態(tài)Ti-Nb-Zr合金和Ti-Nb-Hf合金由板條狀馬氏體相和母相β相組成，馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為孿晶，沒有觀察到ω相。
　　添加合金元素及采用合適的熱處理工藝獲得了滿足生物醫(yī)用的鈦合金。Ti-25Nb合金固溶處理、Ti-22Nb-2Zr和Ti-22Nb-4Zr合金固溶后在400℃時(shí)效1 h、Ti-22Nb-2Hf合金在500℃時(shí)效12 h及Ti-22Nb-4Hf合金固溶后在400℃時(shí)效1 h或者

4、500℃時(shí)效0.5 h后獲得了較好的強(qiáng)韌性匹配，有望作為生物醫(yī)用植入材料。退火態(tài)Ti-22Nb和Ti-22Nb-(2~6)Zr/Hf合金均有形狀記憶效應(yīng)。退火態(tài)Ti-22Nb的最大完全可逆應(yīng)變?yōu)?％；退火態(tài)Ti-22Nb-(2~6)Zr/Hf三元合金的最大完全可逆應(yīng)變達(dá)到了3%；合金的回復(fù)率隨彎曲形變量的上升而下降。耐磨性實(shí)驗(yàn)表明固溶態(tài)三元Ti-22Nb-2Zr/Hf合金的耐磨性與二元Ti-Nb合金相比有很大提高，其摩擦系數(shù)穩(wěn)定的多且數(shù)

5、值較小。時(shí)效處理后Ti-Nb和Ti-22Nb-2Zr/Hf合金的耐磨性提高。
　　電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Nb含量的增加使Ti-Nb合金的抗腐蝕性略微降低，并且不同Nb含量的Ti-Nb合金展現(xiàn)截然不同的電化學(xué)阻抗譜類型，低Nb含量的合金表面為單層膜，高Nb含量的Ti-35Nb合金表面形成雙層膜結(jié)構(gòu)，此雙層膜結(jié)構(gòu)有助于和周圍組織的骨性結(jié)合。向Ti-22Nb合金中添加Zr和Hf元素能夠增強(qiáng)Ti-22Nb合金在0.9% NaCl溶液中的抗腐蝕

6、性，Hf元素提高鈦合金抗腐蝕性的作用更明顯。此外，模擬體液類型及其pH值也影響鈦合金的抗腐蝕性，隨著溶液pH值的減小，合金的抗腐蝕性變?nèi)?。?duì)合金表面進(jìn)行極化處理以及延長合金在模擬體液中的浸泡時(shí)間可以提高合金的抗腐蝕性。
　　細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)表明Nb、Zr、Hf元素是無毒合金元素，細(xì)胞在TA2、Ti-Nb、Ti-22Nb-4Zr、Ti-22Nb-4Hf合金表面均貼附良好，細(xì)胞呈梭形、三角形、球形及多邊形多種形態(tài)，培養(yǎng)時(shí)間對(duì)毒性等級(jí)也無影

7、響。Ti-Nb基合金的溶血率均沒有超過陰性對(duì)照組的溶血率，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生物材料溶血率小于5%的要求，合金滿足生物材料血液相容性的要求。與對(duì)照樣品TA2相比，Ti-22Nb、Ti-22Nb-6Zr、Ti-22Nb-6Hf合金表面粘附的血小板形貌沒有明顯區(qū)別，Ti-22Nb合金和Ti-22Nb-6Zr合金表面處于激活狀態(tài)的血小板百分含量幾乎不變，Ti-22Nb-6Hf合金表面處于激活狀態(tài)的血小板百分含量有所降低，Nb、Zr、Hf元素具