不同腐蚀方式对Ti-6Al-7Nb合金耐腐蚀性能影响的实验研究

发布时间：2020-04-06 17:07

【摘要】： 钛是安全性能高的生物材料之一,随着铸造技术和加工技术的进步,钛及其合金在口腔医学领域内日益被广泛应用。纯钛具有良好的生物相容性、质量轻、价格低廉等优点,成为目前理想的牙科材料之一。然而,为了扩大钛及钛合金在口腔修复领域的应用,弥补纯钛制作修复体在强度、硬度及耐腐蚀性能等方面的不足,本文选择机械强度、硬度优于纯钛的Ti-6Al-7Nb合金进行研究。Ti-6Al-7Nb合金是20世纪80年代中期瑞士开发的第二代无矾医用合金,其结构和性能同临床应用最多的Ti-6Al-4V合金非常相似,但其成分却无V元素的潜在生物毒性。并且,Ti-6Al-7Nb合金是ISO标准化的医用钛合金,可迅速投入临床使用。自人类应用金属作为口腔修复材料以来,腐蚀问题便成为长期困扰人们的难题。本文通过电偶腐蚀、应力腐蚀和静态浸泡腐蚀实验与商用(TA2型)纯钛和其它口腔修复常用合金作比较,从不同方面对Ti-6Al-7Nb合金的抗腐蚀性能进行综合评价,并分析影响其耐腐蚀性能的因素,为Ti-6Al-7Nb合金作为铸造合金应用于齿科修复领域提供实验依据。 研究内容与方法: 1.运用电化学方法测量Ti-6Al-7Nb合金、纯钛(TA2型),Ni-Cr烤瓷合金及Co-Cr合金四种金属材料在37℃人工唾液中的自腐蚀电位(Ecorr)和塔菲尔曲线,并测量Ti-6Al-7Nb合金与其它三种金属组成电偶对后的电偶电流密度值,评价Ti-6Al-7Nb合金与不同金属偶合后的耐电偶腐蚀性能。 2.采用三点弯曲恒应变法对Ti-6Al-7Nb合金与纯钛(TA2型)进行5个水平的应力加载,浸泡于酸性含氟溶液中,并用扫描电镜和X-射线衍射仪对腐蚀产物的微观结构和晶相结构进行检测。评价比较Ti-6Al-7Nb合金、纯钛在腐蚀环境中承受载荷时的耐腐蚀情况。 3.采用静态浸泡腐蚀法对Ti-6Al-7Nb合金与纯钛在人工唾液、1%乳酸溶液、2%NaF人工唾液(pH=7)、2%NaF人工唾液(pH=3)中的离子析出情况进行研究,分析溶液的pH值和氟离子对金属离子析出的影响。并用扫描电镜、X线能谱仪、X线衍射仪、和电感耦合等离子质谱仪对腐蚀产物的微观结构、元素组成、晶相结构和离子析出浓度进行观察和检测。 研究结果: 1.Ti-6Al-7Nb合金、纯钛、Co-Cr合金和Ni-Cr烤瓷合金的自然腐蚀电位Ecorr(mV)分别为-111.8±0.02、-156.6±0.03、-246.2±0.07和-298±0.08;极化电阻值Rp(M? cm2)分别为0.96±2.02、0.74±0.97、0.13±0.6和0.10±0.88;腐蚀电流密度值Icorr(μA/cm2)分别为0.77±1.25、2.67±0.71、21.36±1.04和23.22±0.33。各组间两两比较均有显著性差异(P0.01)。Ti-6Al-7Nb合金与纯钛、Co-Cr合金和Ni-Cr烤瓷合金组成电偶对后测得的电偶电流密度值(μA/cm2)分别为0.46±0.21、1.37±0.90和2.25±1.52,两两比较均有显著性差异(P0.01),电流密度值均极小。 2.在应力和氟离子的共同作用下,纯钛和Ti-6Al-7Nb合金各组试样表面均有腐蚀产物生成。但在相同应力加载水平下,纯钛组的腐蚀产物多于Ti-6Al-7Nb合金组,且纯钛组的点蚀坑量多余Ti-6Al-7Nb合金组。扫描电镜观察可见纯钛组的点蚀坑较Ti-6Al-7Nb组深而且直径大。X—射线衍射分析纯钛的腐蚀产物主要为Na3TiF6和Na2TiF6,Ti-6Al-7Nb合金的腐蚀产物主要为Na3TiF6、Na3AlF6和Na2NbF6。 3.肉眼观察浸泡于人工唾液和乳酸溶液中的各组试样表面颜色未发生明显改变;浸泡于中性含氟溶液和酸性含氟溶液中的各组试样均发现表面颜色变暗、变灰,其中以纯钛组变化最明显,呈灰黑色。X—射线衍射分析中性含氟溶液组:Ti-6Al-7Nb合金的腐蚀产物为Na3TiF6和Na3AlF6;纯钛组的腐蚀产物为Na3TiF6。酸性含氟溶液组:Ti-6Al-7Nb合金的腐蚀产物为Na3TiF6、Na3AlF6和Na2NbF6;纯钛组的腐蚀产物为Na3TiF6、Na2TiF6和Na3TiOF5。能谱分析结果显示在中性和酸性含氟溶液中,Ti-6Al-7Nb合金腐蚀产物的元素组成主要是Ti、Al、Nb、Na、F、K和Si;纯钛腐蚀产物的元素组成主要是Ti、Na、F、K和Si。在人工唾液、乳酸、中性含氟溶液和酸性含氟溶液中,Ti-6Al-7Nb合金的钛离子析出量分别是16.1ng/ml、170.5ng/ml、20.7μg/ml和218.3μg/ml,均低于纯钛62.8ng/ml、371ng/ml、32.5μg/ml和301.2μg/ml。在酸性含氟溶液中,钛离子的析出量最大。 结论: 1.4种合金中Ti-6Al-7Nb合金腐蚀速度最慢,耐腐蚀性最好。与Ti-6Al-7Nb合金配合使用的最佳合金材料依次是纯钛、Co-Cr合金、Ni-Cr合金。Ti-6Al-7Nb合金在与牙科常用合金同时出现在口腔环境时,可以认为不会有电偶腐蚀发生。 2.在应力加载和腐蚀环境的共同作用下,Ti-6Al-7Nb合金和纯钛均发生应力腐蚀,且腐蚀程度随载入应力的增加而增加,但Ti-6Al-7Nb合金的腐蚀程度较纯钛轻,因此Ti-6Al-7Nb合金具有比纯钛更为优秀的耐应力腐蚀性能。 3.溶液pH值的降低和氟离子的存在能够加速Ti离子的释放。在所有浸泡溶液中,Ti-6Al-7Nb合金的Ti离子析出浓度均低于纯钛,耐酸耐氟的性能比纯钛好。因此,Ti-6Al-7Nb合金的耐腐蚀性能高于纯钛。
【图文】：

图 1-2 4 种合金的塔菲尔曲线叠加图表 1-3 4 种合金的自然腐蚀电位、极化电阻和腐蚀电流密度值（x_±s, n材 料 自腐蚀电位(mV) 极化电阻(M cm2) 腐蚀电流密度(μA/Ti-6Al-7Nb (A) -111.8±0.02 0.96±2.02 0.77±1.25TA2 (B) -156.6±0.03 0.74±0.97 2.67±0.71Co-Cr (C) -246.2±0.07 0.13±0.6 21.36±1.04Ni-Cr (D) -298±0.08 0.10±0.88 23.22±0.33本实验测得 4 种合金的自然腐蚀电位和极化电阻从电位正端至电位端的顺序是：A>B>C>D，而腐蚀电流密度值的顺序为 D>C>B>A。统计析结果显示 4 种合金的 Ecorr、Rp、Icorr 值均差别显著（P<0.01），q验亦有显著性差异（P<0.01）。

图 1-2 4 种合金的塔菲尔曲线叠加图表 1-3 4 种合金的自然腐蚀电位、极化电阻和腐蚀电流密度值（x_±s, n=6）材 料 自腐蚀电位(mV) 极化电阻(M cm2) 腐蚀电流密度(μA/cm2)Ti-6Al-7Nb (A) -111.8±0.02 0.96±2.02 0.77±1.25TA2 (B) -156.6±0.03 0.74±0.97 2.67±0.71Co-Cr (C) -246.2±0.07 0.13±0.6 21.36±1.04Ni-Cr (D) -298±0.08 0.10±0.88 23.22±0.33本实验测得 4 种合金的自然腐蚀电位和极化电阻从电位正端至电位负端的顺序是：A>B>C>D，，而腐蚀电流密度值的顺序为 D>C>B>A。统计分析结果显示 4 种合金的 Ecorr、Rp、Icorr 值均差别显著（P<0.01），q 检验亦有显著性差异（P<0.01）。
【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：R783.1

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 吴荫顺,姜应律,褚洪,丁宝峰,于正洋;钛合金TA7在醇溶液中的应力腐蚀敏感性[J];北京科技大学学报;2003年01期

2 刘敬肖,杨大智,徐久军,陈吉华,蔡英骥;离子束合成TiO_2薄膜对医用NiTi合金表面的改性[J];材料研究学报;2001年04期

3 曹洪喜,薛淼;牙科合金腐蚀产物及其致突变性和致癌性[J];国外医学.生物医学工程分册;1999年02期

4 宋应亮,徐君伍,马轩祥,安运铮,李红梅,林升,王宝成;人工唾液中修复材料电偶序测定及腐蚀倾向的研究[J];华西口腔医学杂志;1997年03期

5 骆小平,郭天文,欧阳官,刘高杰,王保成;锆英石作为铸钛用内包埋料的初步研究[J];华西口腔医学杂志;1998年03期

6 于思荣;金属系牙科材料的应用现状及部分元素的毒副作用[J];金属功能材料;2000年01期

7 李哲,李佐臣;钛基生物医用复合材料发展现状与进展[J];钛工业进展;2004年05期

8 张新平,于思荣,何镇明,刘耀辉;Ti合金在人工体液中的电化学腐蚀动力学参数[J];特种铸造及有色合金;2002年06期

9 曾立英;激光处理Ti-6Al-4V合金及其TiN涂层[J];稀有金属快报;2001年12期

10 宋应亮,徐君伍,马轩祥,李自利,沈丽娟,张春宝;不同氧化温度处理下钛75合金耐孔蚀的研究[J];中华口腔医学杂志;2001年01期

本文编号：2616786