化学成分和加工对生物医用钛合金电化学性能

Ti-6Al-4VELI（低间隙）合金由于其良好的生物相容性而广泛用于制造人工关节及齿根。作为外科植入材料，Ti-6Al-4V合金的弹性模量虽与人骨的接近，但仍需要进一步降低。Ti-13Nb-13Zr是目前最有希望的低弹性模量的生物医用钛合金。研究发现，不同加工方式对其电化学性能有不同的影响，为此，贝尔格莱德大学的研究者在林格氏溶液中用极化和电化学阻抗谱（EIS）方法研究了通过形变热处理得到的马氏体结构对Ti-13Nb-13Zr合金和水淬的Ti-6Al-4VELI合金的电化学性能的影响。
实验用Ti-13Nb-13Zr合金采用纯钛、纯铌和纯锆，在氩气保护下的水冷铜坩埚中，用非自耗电弧熔炼多次的8mm厚的小锭，经900℃（β相区）、保温30min、水冷的固溶处理后，冷轧或在680℃（α+β相区）热轧至6mm厚的板材，随后热轧板进行760℃、1h、水冷的固溶处理。Ti-6Al-4VELI合金使用经1000℃，1h，水淬的φ38mm棒材。电化学试验在自然充气的室温林格氏溶液（6.5g/LNaCl，0.14g/LKCl，0.12g/LCaCl2，0.2g/LNaHCO3和0.4g/L的葡萄糖）中进行。EIS测试在10mV的电位扰动幅的断路电压下进行，阻抗谱用Nyquist和Bode图表示。结果表明，从β相区快冷得到原β晶粒内有六方α'马氏体片的组织，Ti-13Nb-13Zr合金冷轧后几乎全是针状马氏体组织，但热轧淬火后，形成了有少量马氏体片的组织，而Ti-6Al-4VELI则是细针状α'马氏体和β相的混合组织。在25℃温度下，自然充气的林格氏溶液中，Ti-13Nb-13Zr和Ti-6Al-4VELI合金发生钝化，腐蚀电流密度在10-6～10-8A/cm2数量级，全马氏体结构的Ti-6Al-4VELI合金比Ti-13 Nb-13Zr合金的耐蚀性更好。对于Ti-13Nb-13Zr合金，冷轧后会提高合金的耐蚀性。耐蚀性顺序为：水淬的Ti-6Al-4VELI合金>冷轧的Ti-13Nb-13Zr合金>热轧水淬的Ti-13Nb-13Zr合金。Ti-6Al-4VELI合金表面可以快速形成氧化膜，其氧化膜比所有组织状态的Ti-13Nb-13Zr合金的氧化膜更薄、更均匀且更稳定，氧化膜的组成为TiO2基体上富Al2O3和V2O5，由于Al2O3先溶解，故V2O5的量较大。Ti-13Nb-13Zr合金表面的厚保护性氧化膜以TiO2为主，且由于存在Nb2O5，钝化膜的结构稳定性提高，氧化膜中未见到ZrO2。氧化膜的厚度和Nb2O5含量与合金形变热处理有关。由于含有更多Nb2O5，冷轧态的Ti-13Nb-13Zr合金的氧化膜更厚、更致密。两种合金的氧化膜均由内层的阻挡层和外层的多孔层组成。Ti-6Al-4VELI合金优异的腐蚀抗力归结于其氧化膜中存在电阻和电容更高的内层，Ti-13Nb-13Zr合金的腐蚀抗力较差，则与氧化膜的多孔以及氧化膜间的扩散有关。Ti-13Nb-13Zr合金外层多孔膜的电阻比Ti-6Al-4VELI合金的低3个数量级，由于富Nb2O5，比之于冷轧态，热轧态合金表面形成的氧化膜的保护性更差。另一方面，对于Ti-13Nb-13Zr合金，作为植入材料植入人体后，其外层多孔的氧化膜会更有利于骨的结合过程。
（来源：钛合金）