Благодаря социальному прогрессу и экономическому развитию, особенно прогрессу науки и техники, медицина добилась замечательных успехов. Среди них разработанные в последние годы материалы медицинского назначения играют незаменимую роль в лечении и восстановлении тканей человека, улучшении функций тканей и органов человека, широко используются титан и полосовые сплавы. Ниже в этой статье кратко анализируется коррозионная стойкость медицинского титана.
Как важный функциональный материал, титан широко используется в аэрокосмической, энергетической промышленности, производстве медицинских товаров и других областях из-за его низкой плотности, высокой удельной прочности и хорошей коррозионной стойкости. Развитие медицинского титана и титановых сплавов можно условно разделить на три периода:
Первая ступень представлена чистым титаном и Ti-6АИ-4В; Второй период: + Ti-5a1-2,5fe и Ti-6Al-7Nb – представительные сплавы; Третий этап заключается в разработке продуктов с лучшими биологическими характеристиками и более низким модулем упругости. Тип титанового сплава является основной линией защиты. Применение новых материалов из титановых сплавов станет направлением развития нынешних основных медицинских устройств.
Исследования материалов из медицинских титановых сплавов начались в Китае в 1970-х годах, когда был разработан ти-2,5ал-2,5мо-2,5зр (ТАМЗ). В 1990-е годы последовательно разрабатывались Ти-6Ал-4В, Ти-ал-2,5ФЭ и Ти-6 с независимыми правами интеллектуальной собственности.
Материал Аль-7нб. Китайская академия наук также разработала новый титановый сплав ти-24нб-4зр-7,6сн. В настоящее время развитие титановых сплавов в Китае в основном сосредоточено на разработке новых материалов и активном применении материалов из титановых сплавов.
1. Коррозия титана
Титан — термодинамически нестабильный металл, и его затупляющий потенциал отрицателен. Стандартный потенциал электрода составляет -1,63 В. Таким образом, в атмосфере и водном растворе легко сформировать оксидную пленку с пассивирующими свойствами и хорошей коррозионной стойкостью.
1. Коррозионная стойкость титана в различных средах.
Очень важно изучение коррозионной стойкости медицинских материалов. С одной стороны, некоторые ионы металлов или продукты коррозии имплантированных материалов проникают в биологические ткани, что может вызвать физиологические реакции разной степени тяжести; С другой стороны, из-за присутствия жидкости организма характеристики некоторых материалов могут серьезно ухудшиться, что приведет к их быстрому повреждению или даже выходу из строя. Среда человеческого тела относительно сложна, что с большей вероятностью может вызвать растворение микроэлементов и изменение стабильности оксидного слоя. Незначительное трение может в разной степени повредить пассивационную пленку, образующуюся на поверхности титана. Например, в среде с низким содержанием кислорода стабильность оксидного слоя ослабляется, и при его повреждении его невозможно немедленно отремонтировать или образовать новый оксидный слой, что с большей вероятностью вызовет коррозию. Такого рода ситуаций вряд ли можно избежать при повторяющихся движениях человеческого тела и использовании инструментов. Пластическая деформация изменит структурное состояние материалов, а затем повлияет на коррозионные характеристики материалов. Влияние пластической деформации на коррозионные свойства материалов различно. В процессе пластической деформации возникают дефекты на границе раздела и зерне из-за концентрации внутренних напряжений. Поэтому пластическая деформация ослабит коррозионную стойкость материалов.
2. Механизм коррозии титана.
Титан — переходный элемент группы IVB, химически активный и имеющий большое сродство к кислороду. В любой кислород-содержащей среде на поверхности титана легко сформировать плотную пассивационную пленку, которая очень тонкая, а ее толщина обычно составляет от нескольких нанометров до десятков нанометров. Наличие пассивирующей пленки из титанового сплава уменьшает площадь поверхностно-активного растворения и скорость растворения, тем самым противодействуя повреждениям, вызванным растворением. Кроме того, пассивирующую пленку можно также восстановить автоматически, а при повреждении можно быстро сформировать новую защитную пленку. Поэтому титан обладает хорошей коррозионной стойкостью. Формы коррозии титана, имплантированного в организм, можно разделить на питтинговую коррозию, коррозию под напряжением, щелевую коррозию, гальваническую коррозию и коррозию износа.
2.1 внутренняя коррозия
Коррозия под напряжением — это явление, при котором металл растрескивается, когда одновременно действуют растягивающее напряжение и коррозия. Общий процесс таков: под действием растягивающих напряжений образующаяся на поверхности металла защитная пленка разрушается, образуя очаг трещин питтинговой или щелевой коррозии и развиваясь на глубину. В то же время действие растягивающего напряжения может привести к неоднократному разрыву защитной пленки, образуя трещины, перпендикулярные растягивающему напряжению, и даже приводя к разрушению.
2.1.1 Причины, влияющие на реакцию напряжения титанового сплава
SCC титанового сплава является результатом воздействия окружающей среды, напряжения и материала. SCC очень избирательен: при изменении любого из трех вышеуказанных факторов SCC не произойдет.
1) Окружающая среда
(1) Средний
SCC титанового сплава может возникнуть под действием многих сред, таких как водный раствор, дистиллированная вода, органический раствор и горячая соль. Механизм SCC различен в разных средах.
(2) Значение pH
Влияние значения pH на SCC титанового сплава все еще весьма различно. В целом чувствительность титанового сплава к SCC снижается с увеличением значения pH. При значении pH 13-14 SCC часто можно подавить. Однако сильная коррозионная среда со значением рН 2-3 может образовываться даже перед локальными трещинами, где происходят изменения КРН.
(3) Потенциал
Влияние потенциала на степень SCC имеет решающее значение. Чувствительный потенциал сплава к SCC различен в зависимости от коррозионной системы, состоящей из сплава и среды. Например, когда потенциал b-титанового сплава в водном растворе, содержащем галогенид, составляет около - 600мВ, SCC усугубляется; При потенциале сверхпассивации также возникают трещины; Однако когда потенциал ниже - 1000мВ, трещины нет. В водном растворе, содержащем Cl - и Br -, чувствительный к SCC потенциал ti8al1mo1v составляет - 500мв - - 600мВ. В водном растворе, содержащем I -, чувствительный потенциал превышает 0 мВ.
(4) Температура
Температура является одним из важных факторов, влияющих на образование КРН в титановых сплавах. Вообще говоря, чувствительность SCC увеличивается с повышением температуры. В среде горячего соленого воздуха при температуре 300-500 градусов коррозия под напряжением сплава ti6al3mo2zr0.5sn более чувствительна к SCC при температуре выше 450 градусов. В растворе H2S + CO2 + NaCl + s чувствительность к ПКР сплава Ti6Al4V с некоторым количеством ПД или Мо ниже при 200 градусах, чем при 250 градусах. Но материалы, имплантированные в тело человека, имеют ограниченную чувствительность к температуре.
(5) Концентрация ионов Cl
Чем выше концентрация Cl - в растворе, тем выше чувствительность SCC.
2) Стресс
Аварии с ККН, вызванные остаточными напряжениями сплава при холодной обработке, ковке, сварке, термообработке или сборке, составляют 40% от общего числа аварий с ККН. Кроме того, источниками напряжений SCC являются внешнее напряжение, возникающее во время эксплуатации, внешнее напряжение, вызванное объемным эффектом продуктов коррозии, или неравномерное напряжение, вызванное объемным эффектом продуктов коррозии. Чем выше уровень стресса, тем короче время SCC.
3) Материалы
В одной и той же среде окружающей среды, если химический состав, сегрегация, структура, размер зерна, дефекты кристаллов, свойства, термическая обработка и состояние поверхности материалов различны, их коррозионное поведение и степень также различны. Добавление небольшого количества PD, Mo или Ru в титановый сплав может снизить его чувствительность к коррозии под напряжением. Чувствительность к SCC сплавов Ti6Al4V и ti15v3cr3al3sn после пикового старения выше, чем у отожженных сплавов. Когда содержание кислорода в сплаве Ti6Al4V ниже 0,13%, чувствительность SCC может значительно снизиться.
2.1.2 общие решения
Для устранения или снижения чувствительности титанового сплава к SCC в определенных средах можно использовать следующие методы:
1) Устранить остаточное напряжение
Локальные остаточные напряжения, возникающие после изготовления деталей, можно устранить с помощью общего или локального отжига. При этом следует учитывать негативное влияние термообработки на прочность, пластичность или ударную вязкость материала.
2) Легирование
В случае традиционных сплавов в сплав можно добавить соответствующее количество PD, Mo или Ru в зависимости от ситуации, чтобы улучшить его стойкость к SCC.
3) Обработка поверхности
Улучшив качество поверхности титанового сплава, можно улучшить биосовместимость и износостойкость материала, а время и скорость образования трещин можно сократить и отсрочить.
2.2 щелевая коррозия
Когда среда находится в зазоре, образованном между металлической деталью и металлом или не-металлом, она может ускорить коррозию металла в зазоре, которая называется коррозией зазора. Щелевая коррозия является разновидностью локальной коррозии. При возникновении зазора в титане и титановом сплаве из-за отсутствия в зазоре окислителей он становится анодом и корродирует, разрушая пассивирующую пленку. Обычно щелевая коррозия проходит три стадии: ① потребление кислорода в щели; ② Формируется макробатарея, и значение pH падает; ③ Пассивационная пленка активируется и растворяется до полного разрушения. Установлено, что степень щелевой коррозии материала в растворе Хэнкса при 37 градусах составляет NiTi > NiTiCu > 316L > Ti6Al4V ≈ Ti; Ti и Ti6AI4V обладают высокой стойкостью к щелевой коррозии в растворе Хэнкса.
2.3 износ и коррозия
Коррозия износа заключается в том, что при контакте металла и среды друг с другом относительная скорость движения велика, что приводит к износу поверхности металла, а затем вызывает ускоренную коррозию металла. Когда титан вживляется в качестве имплантата, он в определенной степени изнашивается вместе с операционными инструментами, что приводит к разрушению оксидной пленки на поверхности. Если эту оксидную пленку не удастся вовремя восстановить, имплантированный металл подвергнется дальнейшей коррозии или даже выйдет из строя.
Биомедицинские материалы являются важной материальной основой бурного развития современной клинической медицины и являются основными темами материаловедения в XXI веке. Титан, как новый тип коррозионно--стойкого материала, достиг большого прогресса. Благодаря хорошей биосовместимости и коррозионной стойкости он широко используется в биомедицинской области. Однако еще предстоит решить множество проблем при применении титана в среде обитания человека. Поэтому характеристики титановых материалов во всех аспектах необходимо тщательно изучить, чтобы спроектировать и начать более быструю разработку биомедицинских материалов.
