Met de sociale vooruitgang en de economische ontwikkeling, vooral de vooruitgang van wetenschap en technologie, heeft de medische zaak opmerkelijke prestaties geleverd. Onder hen spelen de medische productmaterialen die de afgelopen jaren zijn ontwikkeld een onvervangbare rol bij het behandelen en repareren van menselijke weefsels en het verbeteren van de functies van menselijke weefsels en organen, en titanium en striplegeringen worden op grote schaal gebruikt. Hieronder analyseert dit artikel kort de corrosieweerstand van medisch titanium.
Als belangrijk functioneel materiaal wordt titanium veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, de energie-industrie, medische benodigdheden en andere gebieden vanwege de lage dichtheid, hoge specifieke sterkte en goede corrosieweerstand. De ontwikkeling van medisch titanium en titaniumlegeringen kan grofweg in drie periodes worden verdeeld:
De eerste fase wordt vertegenwoordigd door puur titanium en Ti-6AI-4V; De tweede periode is: + Ti-5a1-2.5fe en Ti-6Al-7Nb zijn representatieve legeringen; De derde fase is het ontwikkelen van producten met betere biologische prestaties en een lagere elasticiteitsmodulus. Type een titaniumlegering is de belangrijkste verdedigingslinie. De toepassing van nieuwe titaniumlegeringsmaterialen zal de ontwikkelingsrichting zijn van de huidige reguliere medische hulpmiddelen.
Onderzoek naar medische titaniumlegeringsmaterialen begon in de jaren zeventig in China toen ti-2.5al-2.5mo-2.5zr (TAMZ) werd ontwikkeld. In de jaren negentig werden achtereenvolgens Ti-6Al-4V, ti-al-2.5fe en ti-6 met onafhankelijke intellectuele eigendomsrechten ontwikkeld
Al-7nb-materiaal. De Chinese Academie van Wetenschappen heeft ook een nieuwe titaniumlegering ti-24nb-4zr-7.6sn ontwikkeld. Momenteel richt de ontwikkeling van titaniumlegeringen in China zich voornamelijk op de baanbrekende nieuwe materialen en de actieve toepassing van materialen van titaniumlegeringen.
1, Corrosie van titanium
Titanium is een thermodynamisch onstabiel metaal en het afstompingspotentieel ervan is negatief. Het standaard elektrodepotentiaal is -1,63 V. Daarom is het gemakkelijk om een oxidefilm met passivatie-eigenschap te vormen in de atmosfeer en een waterige oplossing, met goede corrosieweerstand
1. Corrosieweerstand van titanium in verschillende media
Het is erg belangrijk om de corrosieweerstand van medische materialen te bestuderen. Aan de ene kant dringen sommige metaalionen of corrosieproducten van geïmplanteerde materialen door in biologische weefsels, wat fysiologische reacties van verschillende gradaties kan veroorzaken; Aan de andere kant kunnen de prestaties van sommige materialen, als gevolg van de aanwezigheid van lichaamsvloeistoffen, ernstig verslechteren, wat resulteert in snelle schade of zelfs defecten. De omgeving van het menselijk lichaam is relatief complex, waardoor de kans groter is dat sporenelementen oplossen en de stabiliteit van de oxidelaag verandert. Een lichte wrijving kan de op het titaniumoppervlak gevormde passivatiefilm in verschillende mate beschadigen. In een zuurstofarme omgeving wordt bijvoorbeeld de stabiliteit van de oxidelaag verzwakt en wanneer deze beschadigd is, kan deze niet onmiddellijk worden gerepareerd of kan er geen nieuwe oxidelaag worden gevormd, waardoor de kans groter is dat er corrosie ontstaat. Dit soort situaties kunnen nauwelijks worden vermeden bij herhaalde bewegingen van het menselijk lichaam en het gebruik van instrumenten. Plastische vervorming zal de structurele toestand van materialen veranderen en vervolgens de corrosieprestaties van materialen beïnvloeden. De invloed van plastische vervorming op de corrosie-eigenschappen van materialen is anders. Tijdens het proces van plastische vervorming ontstaan er defecten in het grensvlak en de korrel als gevolg van de concentratie van interne spanning. Daarom zal plastische vervorming de corrosieweerstand van materialen verzwakken.
2. Corrosiemechanisme van titanium
Titanium is een overgangselement van de IVB-groep, dat chemisch actief is en een grote affiniteit heeft met zuurstof. In elk zuurstof{1}}houdend medium is het gemakkelijk om een dichte passivatiefilm te vormen op het oppervlak van titanium, dat erg dun is en gewoonlijk enkele nanometers tot tientallen nanometers dik is. Het bestaan van een passivatiefilm van een titaniumlegering vermindert het oppervlakteactieve oplosgebied en de oplossnelheid, waardoor weerstand wordt geboden aan de schade veroorzaakt door het oplossen. Bovendien kan de passivatiefilm ook automatisch worden gerepareerd en kan bij beschadiging snel een nieuwe beschermfilm worden gevormd. Daarom heeft titanium een goede corrosieweerstand. De corrosievormen van titanium geïmplanteerd in het organisme kunnen worden onderverdeeld in putcorrosie, spanningscorrosie, spleetcorrosie, galvanische corrosie en slijtagecorrosie.
2.1 interne corrosie
Spanningscorrosie verwijst naar het fenomeen dat metaal barst wanneer trekspanning en corrosie tegelijkertijd optreden. Het algemene proces is als volgt: de werking van trekspanning zorgt ervoor dat de beschermende film die op het metalen oppervlak wordt gevormd, breekt, waardoor de scheurbron van put- of spleetcorrosie wordt gevormd en zich tot op de diepte ontwikkelt. Tegelijkertijd kan de werking van trekspanning ervoor zorgen dat de beschermende film herhaaldelijk breekt, waardoor scheuren ontstaan die loodrecht op de trekspanning staan en zelfs tot breuk kunnen leiden.
2.1.1 redenen die de spanningsreactie van titaniumlegering beïnvloeden
SCC van titaniumlegering is het resultaat van omgeving, stress en materiaal. SCC is zeer selectief; zolang een van de bovengenoemde drie factoren wordt gewijzigd, zal SCC niet optreden.
1) Milieu
(1) Gemiddeld
SCC van een titaniumlegering kan optreden onder invloed van vele media, zoals een waterige oplossing, gedestilleerd water, een organische oplossing en heet zout. Het SCC-mechanisme is verschillend in verschillende media.
(2) PH-waarde
De invloed van de pH-waarde op SCC van titaniumlegeringen is nog steeds heel anders. Over het algemeen neemt de SCC-gevoeligheid van een titaniumlegering af met de toename van de pH-waarde. Wanneer de pH-waarde 13-14 is, kan SCC vaak worden onderdrukt. Er kan echter zelfs een sterk corrosief milieu met een pH-waarde van 2-3 ontstaan aan de voorkant van lokale scheuren waar SCC-veranderingen optreden.
(3) Potentieel
Het effect van potentieel op de mate van SCC is cruciaal. Het SCC-gevoelige potentieel van legering is anders met het corrosiesysteem dat bestaat uit legering en medium. Wanneer het potentieel van b-titaanlegering in de waterige oplossing die halogenide bevat bijvoorbeeld ongeveer - 600mV bedraagt, wordt SCC verergerd; Onder het overpassiveringspotentieel treden ook scheuren op; Wanneer de potentiaal echter lager is dan - 1000mV, is er geen sprake van een scheur. In de waterige oplossing die Cl - en Br - bevat, is het SCC-gevoelige potentieel van ti8al1mo1v - 500mv - - 600mV. In de waterige oplossing die I - bevat, ligt de gevoelige potentiaal boven 0 mV.
(4) Temperatuur
Temperatuur is een van de belangrijke factoren die de vorming van SCC in titaniumlegeringen beïnvloeden. Over het algemeen neemt de SCC-gevoeligheid toe met de stijging van de temperatuur. In de hete zoute luchtomgeving van 300-500 graden is de spanningscorrosie van de ti6al3mo2zr0.5sn-legering gevoeliger voor SCC boven 450 graden. In de oplossing van H2S + CO2 + NaCl + s is de SCC-gevoeligheid van de Ti6Al4V-legering met een bepaalde hoeveelheid PD of Mo lager bij 200 graden dan bij 250 graden. Maar de materialen die in het menselijk lichaam worden geïmplanteerd, zijn slechts beperkt gevoelig voor temperatuur.
(5) Cl-ionconcentratie
Hoe hoger de concentratie Cl - in de oplossing, hoe groter de SCC-gevoeligheid.
2) Stress
De SCC-ongevallen veroorzaakt door de restspanning van legeringen tijdens koud bewerken, smeden, lassen, warmtebehandeling of montage zijn verantwoordelijk voor 40% van alle SCC-ongevallen. Bovendien zijn de externe spanningen die tijdens bedrijf worden gegenereerd, de externe spanningen die worden veroorzaakt door het volume-effect van corrosieproducten, of de ongelijkmatige spanningen die worden veroorzaakt door het volume-effect van corrosieproducten, allemaal spanningsbronnen van SCC. Hoe hoger het stressniveau, hoe korter de tijd van SCC.
3) Materialen
Als in hetzelfde omgevingsmedium de chemische samenstelling, segregatie, structuur, korrelgrootte, kristaldefecten, eigenschappen, warmtebehandeling en oppervlaktetoestand van materialen verschillend zijn, zijn ook hun spanningscorrosiegedrag en -graad verschillend. Het toevoegen van een kleine hoeveelheid PD, Mo of Ru aan een titaniumlegering kan de gevoeligheid voor spanningscorrosie verminderen. De SCC-gevoeligheid van Ti6Al4V- en ti15v3cr3al3sn-legeringen na piekverouderingsbehandeling is hoger dan die van gegloeide legeringen. Wanneer het zuurstofgehalte in de Ti6Al4V-legering lager is dan 0,13%, kan de SCC-gevoeligheid aanzienlijk worden verminderd.
2.1.2 gemeenschappelijke oplossingen
De volgende methoden kunnen worden gebruikt om de SCC-gevoeligheid van titaniumlegeringen in bepaalde media te elimineren of te verminderen:
1) Elimineer reststress
De lokale restspanning die ontstaat nadat de onderdelen zijn vervaardigd, kan worden geëlimineerd door middel van algemeen gloeien of lokaal gloeien. Op dit moment moet rekening worden gehouden met het negatieve effect van warmtebehandeling op de sterkte, plasticiteit of taaiheid van het materiaal.
2) Legering
Voor traditionele legeringen kan, afhankelijk van de situatie, een passende hoeveelheid PD, Mo of Ru aan de legering worden toegevoegd om de SCC-weerstand te verbeteren.
3) Oppervlaktebehandeling
Door de oppervlaktekwaliteit van een titaniumlegering te verbeteren, kunnen de biocompatibiliteit en slijtvastheid van het materiaal worden verbeterd en kan de tijd en snelheid van het ontstaan van scheuren worden verminderd en uitgesteld.
2.2 spleetcorrosie
Wanneer het medium zich in de opening bevindt die wordt gevormd tussen het metalen onderdeel en het metaal of niet-{0}}metaal, kan het de corrosie van het metaal in de opening versnellen. Dit wordt spleetcorrosie genoemd. Spleetcorrosie is een vorm van lokale corrosie. Wanneer er een opening is in titanium en titaniumlegeringen, vanwege het ontbreken van oxiderende stoffen in de opening, wordt deze een anode en corrodeert deze, waardoor de passivatiefilm wordt vernietigd. Over het algemeen doorloopt spleetcorrosie drie fasen: ① zuurstofverbruik in spleet; ② Er vormt zich een macrobatterij en de pH-waarde daalt; ③ De passivatiefilm wordt geactiveerd en opgelost totdat deze volledig is vernietigd. Er is gevonden dat de mate van spleetcorrosie van het materiaal in de oplossing van Hanks bij 37 graden NiTi > NiTiCu > 316L > Ti6Al4V ≈ Ti is; Ti en Ti6AI4V hebben een sterke weerstand tegen spleetcorrosie in de oplossing van Hanks.
2.3 slijtage en corrosie
Slijtagecorrosie is dat wanneer metaal en medium met elkaar in contact komen, de relatieve bewegingssnelheid groot is, waardoor het metalen oppervlak aan slijtage onderhevig is en vervolgens versnelde corrosie van metaal veroorzaakt. Wanneer titanium als implantaat wordt geïmplanteerd, zal het tot op zekere hoogte door de operatie-instrumenten slijten, waardoor de oxidefilm op het oppervlak wordt vernietigd. Als deze oxidefilm niet op tijd kan worden gerepareerd, zal het geïmplanteerde metaal verder corroderen of zelfs bezwijken.
Biomedische materialen vormen de belangrijke materiële basis voor de snelle ontwikkeling van de moderne klinische geneeskunde en zijn de belangrijkste onderwerpen van materiaalonderzoek in de 21e eeuw. Titanium heeft als nieuw type corrosie-bestendig materiaal grote vooruitgang geboekt. Vanwege zijn goede biocompatibiliteit en corrosieweerstand wordt het op grote schaal gebruikt in de biomedische sector. Er zijn echter nog veel problemen die moeten worden opgelost bij de toepassing van titanium in de menselijke omgeving. Daarom moeten de prestaties van titaniummaterialen in alle aspecten diepgaand worden bestudeerd om de snellere ontwikkeling van biomedische materialen te ontwerpen en te starten.
