【摘 要】
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Ti6Al4V合金具有良好的生物相容性和综合力学性能,可以作为金属类植入材料广泛应用于生物医学领域。但Ti6Al4V合金较差的耐磨性能以及生理条件下耐蚀性能的不足限制了其进一步的发展。表面改性是有助于改善上述问题并提升Ti6Al4V使役性能的有效途径,而改性材料和改性方法的选择至关重要。本课题以医用Ti6Al4V合金作为研究对象,选择了无细胞毒性的Ti、Zr、Nb三种元素作为改性涂层组分、技术成熟
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Ti6Al4V合金具有良好的生物相容性和综合力学性能,可以作为金属类植入材料广泛应用于生物医学领域。但Ti6Al4V合金较差的耐磨性能以及生理条件下耐蚀性能的不足限制了其进一步的发展。表面改性是有助于改善上述问题并提升Ti6Al4V使役性能的有效途径,而改性材料和改性方法的选择至关重要。本课题以医用Ti6Al4V合金作为研究对象,选择了无细胞毒性的Ti、Zr、Nb三种元素作为改性涂层组分、技术成熟且无杂质引入的磁控溅射法作为改性技术,通过微观组织表征,摩擦磨损实验与电化学腐蚀实验系统优化并研究了磁控溅射各工艺参数对涂层微观结构及耐磨耐蚀性能的影响规律。利用磁控溅射沉积的TiZrNb合金涂层由含有密排六方结构α相和体心立方结构β相的柱状晶体组成。沉积气压、沉积温度和沉积功率工艺参数的改变都会影响涂层中晶粒生长与β相的含量变化。在3 m T、50℃和120 W下沉积的TiZrNb涂层具有最为致密的晶粒排布和最高的β相含量,平均晶粒尺寸和表面粗糙度分别为59 nm和7.39nm。TiZrNb涂层与Ti6Al4V基体为粘着磨损和磨粒磨损机制的结合,表现出相同的摩擦磨损行为。由于表面氧化物Nb2O5和纳米级晶粒的存在,TiZrNb涂层存在明显减磨作用,摩擦系数值可有效降低15.7%-20.6%;同时TiZrNb涂层可有效提升材料整体的耐磨性能,而耐磨性能的变化受到晶粒尺寸和β相含量两种因素的协同制约作用。在最优工艺参数下TiZrNb涂层的磨损失重和磨损率分别为1.2 mg和7.5×10-4 mm~3/Nm,与Ti6Al4V基体相比分别有效降低了65.7%和34.2%。涂层耐蚀性能的变化主要受到β相含量的控制,且耐蚀性能的变化趋势与涂层中β相含量的变化趋势呈正相关。在模拟人体体液溶液中TiZrNb涂层会自发钝化,且TiZrNb涂层具有双钝化层,钝化层主要成分为Nb2O5、Zr O2和Ti O2。TiZrNb涂层所能达到的较小的腐蚀电流密度和较高的极化电阻分别为20.50 n A·cm-2和2.67×10~3 kΩ·cm~2,相比于Ti6Al4V耐蚀性能有效提高了161.8%。
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