微弧氧化后医用Ti6Al4V合金的组织结构和生物与力学性能

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本文分别采用表面纳米化(N)、普通喷丸(S)及超音速轰击(SP)方法在医用Ti6Al4V合金材料(M)表面制备出不同尺度的微坑结构,然后采用微弧氧化法在预处理表面构建不同微坑镶嵌多孔生物陶瓷涂层(N-MAO、S-MAO、SP-MAO涂层)。采用模拟体液(SBF)中浸泡评价不同微坑镶嵌多孔涂层诱导仿生磷灰石生长的能力。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱(EDS)等分析手段研究微弧氧化涂层在SBF浸泡前后、涂层试样疲劳断裂与摩损后表面的显微组织结构,并揭示涂层对生物活性、疲劳与摩擦学性能的影响机制。结果表明:含Ca(H2PO42+Ca(CH3COO)2溶液中制备的M-MAO、N-MAO、S-MAO、SP-MAO涂层主要由金红石与锐钛矿TiO2相组成,并含Ca、P化合物;10μm厚涂层与5μm厚涂层相比,涂层中金红石相稍有增多;另外,随涂层厚度增加,M-MAO与N-MAO涂层表面粗糙度增大,而S-MAO与SP-MAO表面粗糙度减小。不同种类微坑多孔涂层浸入SBF中周后出现明显的晶态磷灰石沉积,诱导能力依次为SP-MAO>N-MAO>S-MAO>M-MAO;5μm厚涂层诱导能力好于10μm厚涂层,10μm厚涂层金红石相增多不利于提高生物活性。经NaOH碱处理后不同种类微坑多孔涂层磷灰石诱导能力明显提高,这是由于表面引入的Ti-OH功能团,促进了磷灰石的形核生长;相比较,涂层表比表面大(粗糙度大)的S-MAO与SP-MAO涂层诱导能力强。微弧氧化涂层会降低不同预处理Ti6Al4V合金的疲劳寿命,5μm与10μm厚涂层试样与相应基体相比疲劳寿命降低约为12%和30%。Ti6Al4V合金先纳米化(N)、普通喷丸(S)及超音速轰击(SP)预处理后再微弧氧化可提高涂层试样的疲劳寿命。不同微坑多孔微弧氧化涂层厚度为10μm涂层的耐磨性能明显优于5μm厚涂层。SP-MAO5、SP-MAO10与N-MAO10涂层表现出最好的抗磨性能。涂层可使Ti6Al4V阳极腐蚀电位向正方向偏移,即提高合金在SBF中的化学稳定性和良好的抗腐蚀性能。
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