Tärkeänä toiminnallisena materiaalina titaanimetallia käytetään laajalti ilmailu-, energiateollisuudessa, lääketieteellisissä tarvikkeissa ja muilla aloilla sen eduista, joita ovat alhainen tiheys, korkea ominaislujuus ja hyvä korroosionkestävyys. Lääketieteellisen titaanin ja titaaniseosten kehitys on jaettu karkeasti kolmeen ajanjaksoon:
Ensimmäistä jaksoa edustavat puhdas titaani ja Ti-6AI-4V; toista jaksoa edustavat + -tyyppiset seokset, Ti-5A1-2.5Fe ja Ti-6Al-7Nb; ja kolmatta jaksoa edustaa -tyyppisten titaaniseosten kehittäminen, joilla on paremmat biologiset ominaisuudet ja pienempi kimmokerroin pääpuolustuslinjana. Uusien titaaniseosmateriaalien soveltaminen on nykyinen suunta lääkinnällisten laitteiden valtavirran kehitykselle.
Lääketieteellisten titaaniseosmateriaalien tutkimus alkoi Kiinassa 1970-luvulla, Northwest Nonferrous Metals Research Institute kehitti Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr (TAMZ) ja 1990-luvulla. ovat kehittäneet Ti-6Al-4V-, Ti-Al-2.5Fe- ja Ti-6Al-7Nb-materiaalien immateriaalioikeuksilla. Kiinan tiedeakatemia on myös kehittänyt uuden titaaniseoksen Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn. Kiinan nykyinen kehitys titaaniseosten läpimurto uusia materiaaleja ja titaaniseoksesta materiaalit aktiiviseen soveltamiseen pääsuuntaan.
I. Titaanin korroosio
Titaani on termodynaamisesti epävakaa metalli, passivointipotentiaali on negatiivisempi, standardi elektrodipotentiaali on -1.63V. Siksi ilmakehässä ja vesiliuoksessa on helppo muodostaa kerros hapettunutta kalvoa, jolla on passivointiominaisuudet, parempi korroosionkestävyys.
1, titaanin korroosionkestävyys eri medioissa
On varsin tärkeää tutkia lääkinnällisten materiaalien korroosionkestävyyttä. Toisaalta osa implantoidun materiaalin metalli-ioneista tai korroosiotuotteista tunkeutuu organismin kudoksiin, mikä voi laukaista eriasteisia fysiologisia reaktioita; toisaalta kehon nesteiden läsnäolon vuoksi tiettyjen materiaalien suorituskyky voi heikentyä huomattavasti, mikä voi johtaa nopeaan vaurioitumiseen tai jopa epäonnistumiseen. Ihmiskehon suhteellisen monimutkainen ympäristö aiheuttaa todennäköisemmin hivenaineiden liukenemista ja muuttaa oksidikerroksen stabiilisuutta. Pieni kitka voi saada titaanin pinnan passivointikalvon muodostumisen kärsimään eriasteisia vaurioita, kuten happiköyhässä ympäristössä, oksidikerroksen vakaus heikkenee, sitä ei voida korjata heti, kun se vaurioituu tai muodostuu uusi oksidikerros. , aiheuttaa todennäköisemmin korroosiota. Tämä tilanne on lähes väistämätön ihmiskehon toistuvissa liikkeissä ja instrumenttien käytössä. Muovinen muodonmuutos muuttaa materiaalin organisatorista tilaa, mikä puolestaan vaikuttaa materiaalin korroosionkestävyyteen. Eriasteiset plastisen muodonmuutoksen materiaalin korroosiokyky vaihtelee suuresti. Muovisen muodonmuutoksen prosessissa sisäisten jännitysten keskittymisen vuoksi, mikä johtaa rajapinta- ja raevirheisiin, plastinen muodonmuutos heikentää materiaalin korroosionkestävyyttä.
2, titaani korroosiomekanismi
Titaani on siirtymäelementti IVB-ryhmän, kemiallinen luonne aktiivisempi, ja hapella on suuri affiniteetti. Missä tahansa happea sisältävässä väliaineessa titaanin pinnalle on helppo muodostaa tiheä passivointikalvo, passivointikalvo on erittäin ohut, sen paksuus on yleensä muutamasta nanometristä kymmeniin nanometriin. Passivointikalvon läsnäolo titaaniseoksilla johtaa pinta-aktiivisen liukenemisalueen pienenemiseen ja liukenemisnopeuden hidastumiseen vastustaen siten liukenemisen aiheuttamaa vahinkoa. Lisäksi passivointikalvo pystyy myös korjaamaan automaattisesti, kun se vaurioituu, se voi muodostaa nopeasti uuden suojakalvon. Tämän seurauksena titaanilla on hyvä korroosionkestävyys. Eläviin organismeihin istutettu titaanimetalli, korroosion muoto voidaan jakaa huokoskorroosioon, jännityskorroosioon, rakokorroosioon, galvaanisen kytkimen korroosioon ja kulumiskorroosioon.
2.1 Jännityskorroosio
Jännityskorroosiolla tarkoitetaan metallin repeytymistä, kun vetojännitys ja korroosio vaikuttavat samanaikaisesti. Yleinen prosessi on: vetojännityksen rooli siten, että metallin pinnalle muodostunut suojakalvo alkoi repeytyä, pistekorroosion tai rakokorroosion halkeaman lähteen muodostuminen kehityksen pitkittäissyvyyteen, samaan aikaan, vetojännityksen rooli voi saada suojakalvon repeytymään toistuvasti, muodostumaan kohtisuoraan halkeaman vetojännityksen suuntaan tai jopa johtaa repeämiseen.
2.1.1 Titaaniseoksen jännityskorroosioon vaikuttavat tekijät
SCC:n esiintyminen titaaniseoksessa on seurausta kolmen tekijän yhteistoiminnasta: ympäristö, jännitys ja materiaali. SCC on erittäin valikoiva, niin kauan kuin se muuttaa jotakin edellä mainituista kolmesta tekijästä, SCC:tä ei esiinny.
(1) Ympäristö
(1) Keskikokoinen
Titaaniseokset voivat altistua SCC:lle monissa vesiliuoksissa, tislatussa vedessä, orgaanisissa liuoksissa ja kuumissa suoloissa jne. SCC:n mekanismi ei ole sama eri väliaineissa.
(2) pH-arvo
Titaaniseoksen SCC-vaikutuksen pH-arvosta on huomattavia erimielisyyksiä. Yleensä pH-arvon noustessa titaaniseoksen SCC-herkkyys laskee, kun pH-arvo 13-14, voi usein estää SCC:tä, mutta SCC:ssä muutokset paikallisten halkeamien edessä voivat jopa muodostaa voimakkaan syövyttävän aineen. pH-arvon 2-3 ympäristö.
(3) Mahdollisuus
Potentiaalin vaikutus SCC:n asteeseen on kriittinen. Korroosiojärjestelmän seos- ja väliainekoostumus on erilainen, sen SCC-herkkyyspotentiaali on erilainen. Kuten B - titaaniseos, joka sisältää halogenideja vesiliuoksessa, kun potentiaali -600mV:n läheisyydessä, SCC:n paheneminen; ylipassivointipotentiaalissa tulisi myös syntyä halkeamia; mutta alemmassa kuin -1000mV potentiaali ei ole murtunut. Cl- ja Br- sisältävässä vesiliuoksessa Ti8Al1Mo1V:n SCC-herkkä potentiaali on -500mV{{10}}mV, kun taas vesiliuoksessa, joka sisältää I-, 0 mV tai enemmän, on herkkä potentiaalinen alue.
(4) Lämpötila
Lämpötila on yksi tärkeimmistä titaaniseosten SCC:hen vaikuttavista tekijöistä. Yleisesti ottaen lämpötila nousee, SCC-herkkyys kasvaa. {{0}} asteen kuumassa suola-ilmaympäristössä Ti6Al3Mo2Zr0.5Sn-lejeeringin jännityskorroosio 450 asteessa tai herkemmin SCC:lle. Ti6Al4V-lejeeringit, joissa oli tietty määrä Pd:tä tai Mo:ta H2S+CO2+NaCl+S-liuoksessa, olivat vähemmän herkkiä SCC:lle 200 asteessa kuin 250 asteessa. Ihmiskehoon istutetun materiaalin lämpötilaherkkyys on kuitenkin rajallinen.
(5)Cl-ionipitoisuus
Mitä suurempi Cl-pitoisuus liuoksessa on, sitä suurempi on sen SCC-herkkyys.
(2) Stressi
Kylmämuokkauksen, takomisen, hitsauksen, lämpökäsittelyn tai metalliseosten kokoonpanon aikana syntyneiden jäännösjännitysten aiheuttamat SCC-onnettomuudet muodostavat 40 % SCC-onnettomuuksista. Lisäksi työn aikana tai korroosiotuotteiden tilavuusvaikutuksesta johtuvat ulkoiset jännitykset tai korroosiotuotteiden tilavuusvaikutuksesta johtuvat epätasaiset jännitykset jne. ovat kaikki SCC:tä synnyttävien jännitysten lähteitä. Mitä korkeampi stressitaso, sitä lyhyempi aika SCC:n esiintymiselle.
3) Materiaali
Jos materiaalin kemiallinen koostumus, erottuminen, organisoituminen, raekoko, kidevirheet, ominaisuudet, lämpökäsittely ja pinnan kunto jne. ovat samassa ympäristöväliaineessa erilaisia, on myös sen jännityskorroosiokäyttäytyminen ja -aste erilainen. Pienten Pd-, Mo- tai Ru-määrien lisääminen titaaniseoksiin voi vähentää niiden jännityskorroosion herkkyyttä. Huippuvanhennuksella käsiteltyjen Ti6Al4V- ja Ti15V3Cr3Al3Sn-seosten SCC-herkkyys on korkeampi kuin hehkutetun tilan. Kun happipitoisuus Ti6Al4V-seoksessa on alle 0,13 %, SCC-herkkyyttä voidaan vähentää huomattavasti.
2.1.2 Yleiset ratkaisut
Titaaniseosten SCC-herkkyyden poistamiseksi tai vähentämiseksi tietyssä väliaineessa voidaan käyttää seuraavia ratkaisuja.
(1) Poista jäännösjännitys
Voidaan poistaa koko hehkutuksen tai paikallisen hehkutusmenetelmän avulla osien valmistuksen jälkeen syntyvän paikallisen jäännösjännityksen eliminoimiseksi. Tässä vaiheessa tulee ottaa huomioon lämpökäsittelyn negatiivinen vaikutus materiaalin lujuuteen, plastisuuteen tai sitkeyteen.
(2) seostus
Perinteisille metalliseoksille, seoksen tilanteen mukaan lisätään sopiva määrä Pd, Mo tai Ru parantaa sen SCC vastustuskykyä.
3) Pintakäsittely
Titaaniseosten pinnan laatua parantamalla materiaalin bioyhteensopivuuden ja kulumiskestävyyden parantamiseksi vähentää ja viivästyttää halkeiluaikaa ja -nopeutta.
2.2 rakokorroosio
When the medium in the metal parts and metal or non-metallic gap between the formation of the gap, can make the gap in the metal to accelerate corrosion, known as crevice corrosion. Crevice corrosion is a localized corrosion. When titanium and titanium alloy crevice, due to the lack of oxidizing substances within the crevice, so that it becomes anode and corrosion occurs, destroying the passivation film. In general, crevice corrosion undergoes three stages: ① consumption of oxygen within the crevice; ② formation of macro-cells, pH value decreases; ③ activation and dissolution of the passivation film until it is completely destroyed. It is found that in 37℃ Hanks' solution, the crevice corrosion degree of the material in descending order: NiTi>NiTiCu>316L>Ti6Al4V≈Ti; Ti:llä ja Ti6AI4V:llä on vahva rakokorroosionkestävyys Hanksin ratkaisussa.
2.3 Kulutuskorroosio
Kulutuskorroosio on metallipintojen kiihtynyttä korroosiota, joka johtuu metallin suhteellisen liikkeen suuresta nopeudesta kosketuksessa väliaineen kanssa. Kun titaani-implantteja asetetaan, leikkausinstrumentissa tapahtuu tietty hankaus, joka tuhoaa pinnalla olevan oksidikalvon. Jos tätä oksidikalvoa ei korjata ajoissa, istutettu metalli syöpyy edelleen tai jopa epäonnistuu.
Johtopäätös
Biolääketieteen materiaalit ovat tärkeä aineellinen perusta nykyaikaisen kliinisen lääketieteen nopealle kehitykselle, on materiaalitutkimuksen pääaihe 2000-luvulla. Titaani uudenlaisena korroosionkestävänä materiaalina on edistynyt huomattavasti paremman bioyhteensopivuuden ja korroosionkestävyyden ansiosta biolääketieteen alalla laajalti. Titaanin soveltamisessa ihmisten ympäristöön on kuitenkin vielä paljon ratkaistamattomia ongelmia. Siksi tarvitaan perusteellisia tutkimuksia titaanin ominaisuuksien eri näkökohdista biolääketieteellisten materiaalien nopeamman kehityksen suunnittelemiseksi ja käynnistämiseksi.
