生物医用材料Ti6Al4V的研究进展

Ti6Al4V作为当前最常见的钛基金属生物医用材料,在骨科、口腔等医学领域得到了广泛应用。然而,Ti6Al4V在实际临床应用中也存在一些的问题。文章对生物医用钛合金Ti6Al4V的研究现状进行了概述,总结了生物医用材料Ti6Al4V存在的主要问题,提出了通过成分优化和表面改性解决Ti6Al4V临床应用中相关问题的建议。     

钛合金微弧氧化陶瓷层的结构研究

利用微弧氧化技术,采用甘油磷酸钙和乙酸钙混合电解液体系,在Ti6Al4V钛合金表面制备了陶瓷涂层,对涂层的结构、形貌及表面特性进行了综合研究．结果表明,Ti6Al4V钛合金表面微孤氧化层为富含Ca,P元素的粗糙多孔结构．随电压的升高,表面微孔尺寸和深度增加,表面粗糙度增大．微弧氧化层主要由金红石型TiO2和锐钛矿型TiO2构成,Ca,P则以无定形态钙磷酸盐和少量羟基磷灰石2种物相形式存在．随电压升高,金红石和羟基磷灰石含量增加,锐钛矿减少．微弧氧化后Ti6Al4V钛合金表面的显微硬度提高,最大可提高近2．4倍．     

Ti/TiB_2多层膜在模拟体液中生物摩擦学行为研究

采用磁控溅射的方法在医用钛合金Ti6Al4V表面制备了具有不同调制比的Ti/TiB2多层膜,并考察多层膜在Hank’s模拟体液中与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)配副的摩擦磨损性能。研究结果表明:所制备的多层膜层状结构清晰,与基体结合良好,各子层保持一定的择优取向。多层膜在模拟体液中的摩擦磨损性能与调制比间存在着一定的依赖关系。当多层膜调制比为1:5时,其平均摩擦系数约为0.1,与Ti6Al4V相比降低了28.6%,UHMWPE磨损速率降低了近一个数量级,呈现出良好的减摩耐磨效应。多层膜的引入有效抑制了Ti6Al4V合金发生氧化磨损,而使其表现为不同程度的磨粒磨损和粘着磨损。在调制比为1:5时,多层膜/UHMWPE的生物摩擦学性能最佳,并有望在人工关节表面改性上获得应用。     

超声表面冲击对Ti6Al4V生物相容性的影响

静荷载25 N、振幅30 μm、冲击数36000次/mm2下对Ti6Al4V钛合金进行超声表面冲击强化(UNSM)处理,研究该工艺对Ti6Al4V生物相容性的影响,包括耐体液腐蚀性能、表面钙和磷元素的矿化沉积及纤维软骨细胞的早期黏附。另准备一组复合表面处理(UNSM + TiN镀膜)试样进行对比。对UNSM处理后的表面形貌、强塑性变形层、模拟体液中的极化曲线、腐蚀形貌、表面沉积物、预腐蚀两周后的疲劳行为、纤维软骨细胞的黏附等进行分析。结果表明：尽管冲击后Ti6Al4V表面的腐蚀电流密度和点腐蚀增强了,但模拟体液预浸泡两周后Ti6Al4V钛合金108周次的疲劳强度仍被显著提升;表面形成的钙磷沉积物结节显著提高;同时促进了软骨纤维细胞的早期黏附。UNSM处理后再覆盖TiN膜能进一步提升Ti6Al4V的生物相容性。     

超硬磨料砂轮干式磨削Ti6Al4V合金的表面完整性研究

针对钛合金干式磨削特点,制备了金刚石和立方氮化硼(cubic boron nitride, CBN)超硬磨料砂轮,进行了与碳化硅陶瓷砂轮干式磨削Ti6Al4V合金的对比试验研究。用扫描电子显微镜、三维体视显微镜、粗糙度仪和显微硬度计对磨削工况和试样表面进行了测定。分析了磨削用量对表面粗糙度的影响,比较了3种砂轮磨削工件的表面粗糙度、表面形貌、微观组织及显微硬度。研究表明:工件表面粗糙度随着磨削深度增大而增大,随着砂轮速度的增大而减小。与绿色碳化硅陶瓷结合剂砂轮相比,CBN和金刚石超硬磨料砂轮磨削工件的表面粗糙度和变质层深度较小,表面无明显烧伤,在一定用量条件下更适合Ti6Al4V合金干式磨削加工。     

加工参数对激光沉积制造钛合金Ti6Al4V表面完整性的影响

针对目前加工激光沉积制造钛合金Ti6Al4V存在的加工质量较差、加工效率较低等问题,以切削力、表面形貌、表面粗糙度、亚表面损伤作为评价指标,采用了正交试验的方法通过设置不同的铣削参数对立铣后的表面层进行分析.结果表明：切削深度对切削力和表面粗糙度的影响较大;在每齿进给量为0.03 mm、切削速度为70 mm/min、切削深度为0.9 mm、切削宽度为0.5 mm时,切削力较小,表面粗糙度较低且亚表面损伤较小;沉积钛合金会出现未熔化粉末颗粒缺陷.工艺参数会对沉积钛合金的加工产生重要影响,且加工参数仍需要进一步优化.     

医用CujO-MTanOm多层涂层改善Ti-6Al-4V合金的力学性能、耐蚀及抗菌性能的研究

为了改善Ti-6Al-4V合金的力学性能、耐蚀及抗菌性能,运用磁控溅射技术在医用Ti-6Al-4V合金表面沉积了医用Cu_jO-Ta_nO_m/Ta_nO_m/Ta_nO_m-TiO₂/TiO₂/Ti多层涂层(代号Cu_jO-MTa_nO_m),并采用SEM、AFM、XRD、接触角测试仪、纳米压痕仪、电化学工作站和平板计数法等手段分析沉积涂层的表面形貌、物相组成、润湿性、力学性能、耐腐蚀性能和抗菌性能。研究结果表明,Cu_jO-MTa_nO_m多层涂层结构均匀致密,未发现微孔或微裂纹等结构缺陷,物相表现为非晶态。相比于Ti-6Al-4V合金,Cu_jO-MTa_nO_m多层涂层试样的接触角值增大4°,硬度和弹性模量分别增幅29%...     

磷酸盐浓度对微弧氧化陶瓷膜耐腐蚀性能的影响

为探讨Ti6Al4V合金在不同浓度磷酸盐体系中进行微弧氧化(MAO)后的性能,本实验利用X射线衍射仪、扫描电镜、涡流测厚仪以及电化学工作站等对生成膜层的物相组成、显微形貌、厚度以及耐腐蚀性能等进行研究.结果表明:所制备的微弧氧化膜结构呈表面粗糙,内部致密,含锐钛矿、金红石以及少量羟基磷灰石.随磷酸二氢钾浓度升高,金红石及羟基磷灰石相增多;微弧氧化膜厚度增大到一定值后不再发生变化;微弧氧化致密层与疏松层比例发生变化,增厚的疏松层表面孔增多且孔径增大,降低了膜层的耐腐蚀性能.     

钛合金表面低氧压熔结Al-Cr涂层及其高温抗氧化性

采用低氧压高温快速熔结技术在钛合金表面制备Al Cr熔结涂层,通过对涂层形貌及涂层断面的组织结构进行观察、分析,研究了熔结时间等工艺参数对熔结涂层的形成及Al Cr涂层对Ti 6Al 4V合金在600℃(873K)空气中循环氧化行为的影响。结果表明:合理控制熔结时间可控制互溶区的宽度,大大增强涂层与基体的结合强度和涂层的循环氧化抗力,在本试验条件下,使合金的抗循环氧化能力提高了近300倍。     

钛合金表面加弧辉光离子无氢渗碳工艺的研究

提出了一种新的钛合金表面强化方法,利用加弧辉光离子无氢渗碳技术在钛合金表面形成渗碳层,从减摩和抗磨两个方面提高钛合金表面的摩擦学性能.该方法是在加弧辉光离子渗镀技术中引入由高纯石墨制成冷阴极电弧石墨靶,按冷阴极场致发射机制,源源不断地从电弧石墨靶上发射出高能量、高密度、高离化率、高速度的离子流,成功的在工业用Ti6A14V合金基材表面形成25～30 μm厚的无氢且无结合强度问题的含有TiC的扩散层.在改善了Ti6A14V合金表面摩擦学性能的同时,又避免了氢元素对钛合金造成的氢脆问题.研究了钛合金无氢渗碳的工艺特点,从阴极偏压、靶距、弧流、时间和温度几个方面探讨了不同工艺参数对渗碳层厚度的影响.     

Hydroxyapatite bioceramic coatings prepared by hydrothermal-electrochemical deposition method

The hydroxyapatite(HA) ceramic coating was successfully prepared on Ti6Al4V alloy by the hydrothermal-electrochemical deposition method with constant voltage model. The phases of deposits were analyzed by X-ray diffraction. The releationship between crystallinity and depositing temperature was discussed. The microstructures of hydroxyapatite coating were observed by scanning electron microscope. The experimental results showed that the phases, crystallinity and morphologies of deposits were influenced by depositing temperature(100 ℃, 120 ℃, 140 ℃, 160 ℃, 180 ℃ and 200 ℃, respectively). The special hydrothermal environment can lower the crystallization temperature of HA. The crystallinity of HA increases firstly and then decreases with the increase of temperature. There is little hydroxyapatite deposited on the Ti6Al4V surface when the depositing temperature is 100 ℃. The HA deposition increases with the increase of the depositing temperature. And the HA morphologies are influenced by the depositing temperature.     

化学沉积镍─钨─碳合金性能的研究

简述了化学沉积镍、钨、磷合金的原理，研究了沉积层的时效强化及其耐磨性和耐腐蚀性能，认为化学沉积镍、钨、磷合金方法具有广阔的应用前景．     

Ti-15Mo-3Nb合金表面活化研究

为了改善Ti-15Mo-3Nb合金的活性,使用碱处理方法.本实验采用KOH碱处理,以便在钛合金表面原位自生出钛酸钾层,并与钛合金基体形成牢固的化学键合.结果表明酸碱活化处理在Ti-15Mo-3Nb合金表面产生了钛酸钾层状结构.碱处理得到的多孔网状结构使试样的表面积增大,表面能比较高.网状结构和纳米级的孔结构增加与骨的结合强度.     

Surface analysis of chemical stripping titanium alloy oxide films

The chemical stripping method of titanium alloy oxide films was studied. An environment friendly solution hydrogen peroxide and sodium hydroxide without hydrofluoric acid or fluoride were used to strip the oxide films. The morphologies of the surface and cross-section of the oxide films before and after the films stripping were characterized by using scanning electron microscopy (SEM). The microstructure and chemical compositions of the oxide films before and after the films stripping were investigated by using Raman spectroscopy (Raman) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). It was shown that the thickness of the oxide film was in the range of 5-6 μm. The oxide films were stripped for 2 to 8 min in the solution. Moreover, the effect of the stripping time on the efficiency of the film stripping was investigated, and the optimum stripping time was between 6-8 min. When the stripping solution completely dissolved the whole film, the α/β microstructure of the titanium alloy Ti-10V-2Fe-3Al was partly revealed. The stripping mechanism was discussed in terms of the dissolution of film delamination. The hydrogen peroxide had a significant effect on the dissolution of the titanium alloy anodic oxide film. The feasibility of the dissolution reaction also was evaluated.     

粉石英包覆二氧化钛制备复合粉体的研究

采用化学沉积法在粉石英表面包覆TiO2,研究了TiOSO4—H2O—SiO2反应体系的温度、水解时间、晶种、表面活性剂等因素对包覆的影响;利用SEM,XRD,IR等对复合粉体的形貌、组成、表面官能团等进行表征.结果表明:化学沉积过程中采用自生晶种、并有表面活性剂作用下,水解温度95℃,粉石英-硫酸氧钛水溶液体系保持5 h,能制备出包覆效果良好的复合粉体,白度最高可达93.4,复合粉体中粉石英表面包覆致密的锐钛型TiO2,二者以化学键结合,强度较高.     

钙化液对NiTi形状记忆合金表面HAP涂层形貌的影响

为改善NiTi形状记忆合金的使用安全性,利用外加电场处理技术在其表面涂覆羟基磷灰石涂层。试验研究钙化液的浓度、浸泡时间对涂层形貌的影响及涂层生成过程中溶液pH值的变化情况。结果表明：获得最佳形貌涂层的钙化液浓度为Ca^2＋3．10mmol／L、K＋ 4．64mmol／L、Na＋126．8mmol／L、Cl-144．5mmol／L、HPO4^-1 1．86mmol／L,作用时间为7d;涂层生产过程中,溶液的pH值显著降低后缓慢变化至某一稳定值。     

不同电源模式对电沉积磷酸钙涂层的影响

采用电化学沉积的方法在钛合金（Ti-6Al-4V）表面制备生物涂层．通过采用恒电流模式和脉冲电源模式考察不同的电源模式对电沉积磷酸钙涂层的影响．试验研究了不同电源模式对涂层的微观形貌及涂层厚度的影响．结果表明：脉冲电流下制备的涂层比恒电流条件下制备的涂层更为均匀致密．在同等的沉积条件下。脉冲电流制备的涂层厚度比恒电流条件制备的涂层厚度增加了16．2μm．XPD分析表明,电源模式的改变并没有影响磷酸钙的生成．     

碱处理多孔钛制备磷灰石涂层的研究

采用碱处理法对多孔钛表面改性,在钛基体上产生晶体钛酸钠和无定形金红石,在模拟体液中形成含有羟基磷灰石和磷酸八钙的磷灰石涂层。研究表明：经碱处理的多孔钛二周后显示较强生物活性。     

纳米二氧化钛的制备及其应用研究进展

研究了纳米二氧化钛的制备及其在塑料制品中的应用。根据反应体系的物理形态不同,其制备方法可分为气相法、液相法和固相法三大类,其中气相法包括化学气相沉积法和物理气相沉积法;液相法包括溶胶凝胶法、水热法和液相沉积法;固相法又包括固体混合法和直接焙烧法两大类。塑料制品中添加二氧化钛具有杀菌消毒作用。     

置氢TC4钛合金等温锻造叶片组织演变规律

为了降低钛合金叶片的锻造温度和改善其组织性能,基于氢致钛合金高温增塑机理,将热氢处理技术应用于钛合金叶片的等温锻造成形工艺中.观察和对比分析了未置氢TC4钛合金和置氢TC4钛合金叶片等温锻造后的组织以及真空除氢热处理和普通热处理工艺下的组织演变.实验结果表明:置氢降低了TC4钛合金叶片的等温锻造载荷,除氢热处理后组织得到改善,获得了含有细小、等轴α晶粒的双态组织.确定了置氢量为0.25%(质量分数)的TC4钛合金适宜的热处理工艺为:锻后在750℃真空脱氢保温5h,900℃退火1h后再450℃时效4h.