Като важен функционален материал титановият метал се използва широко в космическата, енергийната промишленост, медицинските консумативи и други области заради предимствата си на ниска плътност, висока специфична якост и добра устойчивост на корозия. Развитието на медицинския титан и титанови сплави грубо се разделя на три периода:
Първият период е представен от чист титан и Ti-6AI-4V; вторият период е представен от + -тип сплави, Ti-5A1-2.5Fe и Ti-6Al-7Nb; и третият период е представен от разработването на тип титанови сплави с по-добри биологични свойства и по-нисък модул на еластичност като основна линия на защита. Прилагането на нови материали от титанови сплави ще бъде настоящата посока на основното развитие на медицинските устройства.
Изследванията на медицински материали от титанови сплави в Китай започват през 70-те години на миналия век, Северозападният изследователски институт за цветни метали разработва Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr (TAMZ), а през 90-те години са разработили с независими права върху интелектуалната собственост на Ti-6Al-4V, Ti-Al-2.5Fe и Ti-6Al-7Nb материали. Китайската академия на науките също така разработи нова титанова сплав Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn. Текущото развитие на Китай на титанови сплави за пробив на нови материали и материали от титанови сплави за активното прилагане на основната посока.
I. Корозия на титан
Титанът е термодинамично нестабилен метал, пасивиращият потенциал е по-отрицателен, стандартният електроден потенциал от -1.63V. Следователно в атмосферата и водния разтвор е лесно да се образува слой от окислен филм с пасивиращи свойства, по-добра устойчивост на корозия.
1, устойчивост на корозия на титан в различни среди
Много е важно да се изследва устойчивостта на корозия на медицинските материали. От една страна, някои от металните йони или корозионните продукти на имплантирания материал проникват в тъканите на организма, което може да предизвика различни по степен физиологични реакции; от друга страна, поради наличието на телесни течности, ефективността на определени материали може да бъде силно намалена, което води до бърза повреда или дори повреда. Сравнително сложната среда на човешкото тяло е по-вероятно да причини разтваряне на микроелементи и да промени стабилността на оксидния слой. Лекото триене може да накара образуването на титанов повърхностен пасивиращ филм да претърпи различна степен на увреждане, като например в бедна на кислород среда, стабилността на оксидния слой е отслабена, не може да бъде незабавно поправена, когато е повредена или образуването на нов оксиден слой , по-вероятно да причини корозия. Тази ситуация е почти неизбежна при многократно движение на човешкото тяло и използване на инструменти. Пластичната деформация ще промени организационното състояние на материала, което от своя страна ще повлияе на корозионните характеристики на материала. Различните степени на пластична деформация върху корозионните характеристики на материала варират значително. В процеса на пластична деформация, поради концентрацията на вътрешни напрежения, водещи до дефекти на повърхността и зърното, пластичната деформация ще отслаби устойчивостта на корозия на материала.
2, титанов корозионен механизъм
Титанът е преходен елемент от групата IVB, химическата природа е по-активна, а кислородът има голям афинитет. Във всяка среда, съдържаща кислород, повърхността на титан е лесна за генериране на плътен пасивиращ филм, пасивиращият филм е изключително тънък, дебелината му обикновено е от няколко нанометра до десетки нанометри. Наличието на пасивиращ филм върху титанови сплави води до намаляване на площта на повърхностно активно разтваряне и забавяне на скоростта на разтваряне, като по този начин се противопоставя на щетите, причинени от разтварянето. В допълнение, пасивиращият филм също е способен на автоматичен ремонт, когато е повреден, може бързо да образува нов защитен филм. В резултат на това титанът има добра устойчивост на корозия. Титановият метал, имплантиран в живи организми, под формата на корозия може да се раздели на корозия на порите, корозия под напрежение, корозия на пукнатини, корозия на галванично свързване и корозия на износване.
2.1 Стрес корозия
Стрес корозията е явлението на разкъсване на метал, когато напрежението на опън и корозията действат едновременно. Общият процес е: ролята на напрежението на опън, така че защитният филм, генериран върху повърхността на метала, да започне да се разкъсва, образуването на точкова корозия или източник на пукнатини от корозия на пукнатини, до надлъжната дълбочина на развитието, в същото време, ролята на напрежението на опън може да накара защитния филм да се разкъса многократно, образуването на перпендикулярно на посоката на напрежението на опън на пукнатината или дори да доведе до разкъсване.
2.1.1 Фактори, влияещи върху корозията под напрежение на титановата сплав
Появата на SCC върху титанова сплав е резултат от съвместното действие на три фактора: околна среда, стрес и материал, SCC е силно селективен, стига да се промени някой от горните три фактора, SCC няма да възникне.
(1) Околна среда
(1) Среден
Титановите сплави могат да претърпят SCC в много водни разтвори, дестилирана вода, органични разтвори и горещи соли и т.н. Механизмът на SCC не е еднакъв в различните среди.
(2) рН стойност
Стойността на рН на титановата сплав SCC ефект има значително разногласие. Като цяло, с увеличаването на стойността на pH, чувствителността към SCC на титановата сплав намалява, когато стойността на pH от 13-14 често може да инхибира SCC, но в SCC промените в предната част на локалните пукнатини могат дори да образуват силно корозивно среда на pH стойността на 2-3.
(3) Потенциал
Ефектът на потенциала върху степента на SCC е критичен. Съставът на сплавта и средата на корозионната система е различен, неговият SCC чувствителен потенциал е различен. Като B - титанова сплав, съдържаща халиди във воден разтвор, когато потенциалът е близо до -600mV, SCC влошаване; в потенциала за свръх-пасивация също трябва да се получат пукнатини; но при по-нисък от -1000mV потенциал не е пропукан. Във водния разтвор, съдържащ Cl- и Br-, SCC чувствителният потенциал на Ti8Al1Mo1V е -500mV{{10}}mV, докато във водния разтвор, съдържащ I-, 0mV или повече е чувствителна потенциална зона.
(4) Температура
Температурата е един от важните фактори, влияещи върху SCC на титанови сплави. Най-общо казано, температурата се повишава, SCC чувствителността се увеличава. В {{0}} градусова среда с гореща сол - въздух, корозия под напрежение на сплав Ti6Al3Mo2Zr0.5Sn при 450 градуса или по-чувствителна към SCC. Ti6Al4V сплавите с определено количество Pd или Mo в разтвор на H2S+CO2+NaCl+S са по-малко чувствителни към SCC при 200 градуса, отколкото при 250 градуса. Температурната чувствителност на имплантирания в човешкото тяло материал е ограничена.
(5) Концентрация на Cl-йони
Колкото по-висока е концентрацията на Cl- в разтвора, толкова по-голяма е неговата SCC чувствителност.
(2) Стрес
SCC злополуките, причинени от остатъчни напрежения, генерирани по време на студена обработка, коване, заваряване, термична обработка или сглобяване на сплави, представляват 40% от общите SCC инциденти. В допълнение, външните напрежения, генерирани по време на работа или поради обемния ефект на корозионните продукти или неравномерните напрежения поради обемния ефект на корозионните продукти и т.н., са всички източници на напрежения, които генерират SCC. Колкото по-високо е нивото на стрес, толкова по-кратко е времето за възникване на SCC.
3) Материал
В една и съща среда на околната среда, ако химичният състав на материала, сегрегацията, организацията, размерът на зърната, кристалните дефекти, свойствата, топлинната обработка и състоянието на повърхността и т.н. са различни, поведението и степента на корозия под напрежение също са различни. Добавянето на малки количества Pd, Mo или Ru към титанови сплави може да намали тяхната чувствителност към корозия под напрежение. SCC чувствителността на Ti6Al4V и Ti15V3Cr3Al3Sn сплави, третирани чрез пиково стареене, е по-висока от тази на темперирано състояние. Когато съдържанието на кислород в сплавта Ti6Al4V е по-ниско от 0.13%, SCC чувствителността може да бъде значително намалена.
2.1.2 Общи решения
За да се елиминира или намали SCC чувствителността на титанови сплави в определена среда, могат да се използват следните решения.
(1) Елиминирайте остатъчното напрежение
Може да се елиминира чрез метода на цялостно отгряване или локално отгряване, за да се елиминира локалното остатъчно напрежение, генерирано след производството на части. В този момент трябва да се вземе предвид отрицателното въздействие на термичната обработка върху здравината, пластичността или издръжливостта на материала.
(2) легиране
За традиционните сплави, в зависимост от ситуацията в сплавта, за да добавите подходящото количество Pd, Mo или Ru, за да подобрите нейната SCC устойчивост.
3) Повърхностна обработка
Чрез подобряване на качеството на повърхността на титановите сплави, за подобряване на биосъвместимостта и устойчивостта на износване на материала, намаляване и забавяне на времето и скоростта на напукване.
2.2 цепнатина корозия
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 и Ti6AI4V имат силна устойчивост на корозия в пукнатини в решението на Ханкс.
2.3 Корозия от износване
Корозията от износване е ускорена корозия на метални повърхности, причинена от високата скорост на относителното движение на метала в контакт със средата. Когато се поставят титаниеви импланти, се получава известна степен на абразия с работния инструмент, което разрушава оксидния филм, присъстващ на повърхността. Ако този оксиден филм не бъде поправен навреме, имплантираният метал ще корозира допълнително или дори ще се повреди.
Заключение
Биомедицинските материали са важна материална основа за бързото развитие на съвременната клинична медицина, е основната тема на изследването на материалите през 21 век. Титанът като нов тип устойчиви на корозия материали постигна голям напредък, поради по-добрата си биосъвместимост и устойчивост на корозия, в областта на биомедицината се използва широко. Все още обаче има много проблеми за решаване при прилагането на титан в човешката среда. Следователно са необходими задълбочени проучвания на различни аспекти на свойствата на титана, за да се проектира и инициира по-бързото развитие на биомедицински материали.
