Odată cu progresul social și dezvoltarea economică, în special progresul științei și tehnologiei, cauza medicală a făcut realizări remarcabile. Printre acestea, materialele pentru produse medicale dezvoltate în ultimii ani joacă un rol de neînlocuit în tratarea și repararea țesuturilor umane și îmbunătățirea funcțiilor țesuturilor și organelor umane, iar aliajele de titan și benzi sunt utilizate pe scară largă. Mai jos, această lucrare analizează pe scurt rezistența la coroziune a titanului medical.
Ca material funcțional important, titanul este utilizat pe scară largă în industria aerospațială, energetică, consumabile medicale și în alte domenii datorită densității sale scăzute, rezistenței specifice ridicate și rezistenței bune la coroziune. Dezvoltarea titanului medical și a aliajelor de titan poate fi împărțită aproximativ în trei perioade:
Prima etapă este reprezentată de titan pur și Ti-6AI-4V; A doua perioadă este: + Ti-5a1-2.5fe și Ti-6Al-7Nb sunt aliaje reprezentative; A treia etapă este de a dezvolta produse cu performanțe biologice mai bune și cu modul elastic mai scăzut Tipul un aliaj de titan este linia principală de apărare. Aplicarea de noi materiale din aliaj de titan va fi direcția de dezvoltare a dispozitivelor medicale curente.
Cercetările asupra materialelor din aliaje medicale de titan au început în China în anii 1970, când a fost dezvoltat ti-2.5al-2.5mo-2.5zr (TAMZ). În anii 1990, Ti-6Al-4V, ti-al-2.5fe și ti-6 cu drepturi independente de proprietate intelectuală au fost dezvoltate succesiv
Material Al-7nb. Academia Chineză de Științe a dezvoltat, de asemenea, un nou aliaj de titan ti-24nb-4zr-7.6sn. În prezent, dezvoltarea aliajului de titan în China se concentrează în principal pe noile materiale inovatoare și pe aplicarea activă a materialelor din aliaj de titan.
1, Coroziunea titanului
Titanul este un metal instabil termodinamic, iar potențialul său de tocire este negativ. Potențialul standard al electrodului este de -1,63 V. Prin urmare, este ușor să se formeze un film de oxid cu proprietăți de pasivare în atmosferă și soluție apoasă, cu rezistență bună la coroziune
1. Rezistența la coroziune a titanului în diferite medii
Este foarte important să se studieze rezistența la coroziune a materialelor medicale. Pe de o parte, unii ioni metalici sau produși de coroziune ai materialelor implantate pătrund în țesuturile biologice, ceea ce poate declanșa reacții fiziologice de diferite grade; Pe de altă parte, din cauza prezenței fluidului corporal, performanța unor materiale poate fi grav degradată, ducând la deteriorarea rapidă sau chiar la defectarea acestora. Mediul corpului uman este relativ complex, ceea ce este mai probabil să provoace dizolvarea oligoelementelor și să modifice stabilitatea stratului de oxid. Frecarea ușoară poate deteriora filmul de pasivare format pe suprafața de titan în grade diferite. De exemplu, într-un mediu sărac în oxigen, stabilitatea stratului de oxid este slăbită, iar atunci când este deteriorat, nu poate fi reparat imediat sau nu poate forma un nou strat de oxid, care este mai probabil să provoace coroziune. Acest tip de situație cu greu poate fi evitat în mișcarea repetată a corpului uman și utilizarea instrumentelor. Deformarea plastică va schimba starea structurală a materialelor și apoi va afecta performanța la coroziune a materialelor. Influența deformării plastice asupra proprietăților de coroziune a materialelor este diferită. În procesul de deformare plastică apar defecte în interfață și granulație datorită concentrării tensiunilor interne. Prin urmare, deformarea plastică va slăbi rezistența la coroziune a materialelor.
2. Mecanismul de coroziune al titanului
Titanul este un element de tranziție al grupului IVB, care este activ din punct de vedere chimic și are o mare afinitate cu oxigenul. În orice mediu care conține oxigen-, este ușor să se formeze o peliculă densă de pasivare pe suprafața titanului, care este foarte subțire, iar grosimea sa este de obicei de la câțiva nanometri până la zeci de nanometri. Existența peliculei de pasivare din aliaj de titan reduce aria de dizolvare activă la suprafață și viteza de dizolvare, rezistând astfel la daunele cauzate de dizolvare. În plus, pelicula de pasivare poate fi, de asemenea, reparată automat, iar atunci când este deteriorată, se poate forma rapid o nouă peliculă de protecție. Prin urmare, titanul are o rezistență bună la coroziune. Formele de coroziune ale titanului implantate în organism pot fi împărțite în coroziune prin pitting, coroziune prin stres, coroziune în fisuri, coroziune galvanică și coroziune prin uzură.
2.1 coroziunea internă
Coroziunea la tensiune se referă la fenomenul că metalul este fisurat atunci când tensiunea de tracțiune și coroziunea acționează în același timp. Procesul general este următorul: acțiunea tensiunii de tracțiune determină ruperea peliculei protectoare formate pe suprafața metalului, formând sursa fisurii de coroziune cu sâmburi sau crăpături și dezvoltându-se până la adâncime. În același timp, acțiunea tensiunii de tracțiune poate determina ruperea în mod repetat a peliculei de protecție, formând fisuri perpendiculare pe tensiunea de tracțiune și chiar ducând la rupere.
2.1.1 motive care afectează reacția la efort a aliajului de titan
SCC al aliajului de titan este rezultatul mediului, stresului și materialului. SCC este foarte selectiv, atâta timp cât oricare dintre cei trei factori de mai sus este modificat, SCC nu va apărea.
1) Mediul
(1) Medie
SCC al aliajului de titan poate apărea sub acțiunea multor medii, cum ar fi soluție apoasă, apă distilată, soluție organică și sare fierbinte. Mecanismul SCC este diferit în diferite medii.
(2) Valoarea PH
Influența valorii pH-ului asupra SCC al aliajului de titan este încă destul de diferită. În general, sensibilitatea SCC a aliajului de titan scade odată cu creșterea valorii pH-ului. Când valoarea pH-ului este 13-14, SCC poate fi adesea suprimat. Cu toate acestea, un mediu puternic coroziv cu o valoare a pH-ului de 2-3 poate fi format chiar și în fața fisurilor locale unde apar modificări SCC.
(3) Potenţial
Efectul potențialului asupra gradului de SCC este crucial. Potențialul sensibil SCC al aliajului este diferit cu sistemul de coroziune compus din aliaj și mediu. De exemplu, când potențialul aliajului de b-titan în soluția apoasă care conține halogenură este de aproximativ - 600mV, SCC este agravat; Sub potențialul de suprapasivare apar și fisuri; Cu toate acestea, atunci când potențialul este mai mic de - 1000mV, nu există nicio fisură. În soluția apoasă care conține Cl - și Br -, potențialul sensibil SCC al ti8al1mo1v este - 500mv - - 600mV. În soluția apoasă care conține I -, potențialul sensibil este peste 0mV.
(4) Temperatura
Temperatura este unul dintre factorii importanți care afectează generarea de SCC în aliajele de titan. În general, sensibilitatea SCC crește odată cu creșterea temperaturii. În mediul de aer cald sărat de 300-500 de grade, coroziunea prin stres a aliajului ti6al3mo2zr0.5sn este mai sensibilă la SCC peste 450 de grade. În soluția de H2S + CO2 + NaCl + s, sensibilitatea SCC a aliajului Ti6Al4V cu o anumită cantitate de PD sau Mo este mai mică la 200 de grade decât la 250 de grade. Dar materialele implantate în corpul uman au o sensibilitate limitată la temperatură.
(5) Concentrația ionilor de Cl
Cu cât este mai mare concentrația de Cl - în soluție, cu atât este mai mare sensibilitatea SCC.
2) Stresul
Accidentele SCC cauzate de solicitarea reziduală a aliajului în timpul prelucrării la rece, forjare, sudare, tratament termic sau asamblare reprezintă 40% din totalul accidentelor SCC. În plus, stresul extern generat în timpul funcționării, stresul extern cauzat de efectul de volum al produselor de coroziune sau stresul neuniform cauzat de efectul de volum al produselor de coroziune sunt toate sursele de stres ale SCC. Cu cât nivelul de stres este mai mare, cu atât timpul de SCC este mai scurt.
3) Materiale
În același mediu de mediu, dacă compoziția chimică, segregarea, structura, dimensiunea granulelor, defectele cristalului, proprietățile, tratamentul termic și starea suprafeței materialelor sunt diferite, comportamentul și gradul lor de coroziune la stres sunt, de asemenea, diferite. Adăugarea unei cantități mici de PD, Mo sau Ru la aliajul de titan poate reduce sensibilitatea la coroziune prin stres. Sensibilitatea SCC a aliajelor Ti6Al4V și ti15v3cr3al3sn după tratamentul de îmbătrânire maximă este mai mare decât cea a aliajelor recoapte. Când conținutul de oxigen din aliajul Ti6Al4V este mai mic de 0,13%, sensibilitatea SCC poate fi redusă foarte mult.
2.1.2 soluții comune
Următoarele metode pot fi utilizate pentru a elimina sau reduce sensibilitatea SCC a aliajului de titan în anumite medii:
1) Eliminați stresul rezidual
Tensiunea reziduală locală generată după fabricarea pieselor poate fi eliminată prin recoacere globală sau recoacere locală. În acest moment, trebuie luat în considerare efectul negativ al tratamentului termic asupra rezistenței, plasticității sau tenacității materialului.
2) Aliere
Pentru aliajele tradiționale, o cantitate adecvată de PD, Mo sau Ru poate fi adăugată aliajului în funcție de situație pentru a-și îmbunătăți rezistența la SCC.
3) Tratarea suprafeței
Prin îmbunătățirea calității suprafeței aliajului de titan, biocompatibilitatea și rezistența la uzură a materialului pot fi îmbunătățite, iar timpul și viteza de generare a fisurilor pot fi reduse și întârziate.
2.2 coroziunea crevasului
Atunci când mediul se află în spațiul format între piesa metalică și metal sau nemetal, acesta poate accelera coroziunea metalului din spațiu, care se numește coroziune. Coroziunea crevioasă este un fel de coroziune locală. Când există un gol în titan și aliaj de titan, din cauza lipsei de substanțe oxidante în gol, acesta devine un anod și se corodează, distrugând pelicula de pasivare. În general, coroziunea în crăpături trece prin trei etape: ① consumul de oxigen în crăpătură; ② Formând o baterie macro, iar valoarea pH-ului scade; ③ Filmul de pasivare este activat și dizolvat până când este complet distrus. Se constată că gradul de coroziune în crăpătură al materialului din soluția Hanks la 37 de grade este NiTi > NiTiCu > 316L > Ti6Al4V ≈ Ti; Ti și Ti6AI4V au o rezistență puternică la coroziune în fisuri în soluția lui Hanks.
2.3 uzură și coroziune
Coroziunea prin uzură este că atunci când metalul și mediul sunt în contact unul cu celălalt, viteza relativă de mișcare este mare, ceea ce face ca suprafața metalului să sufere uzură și apoi provoacă coroziune accelerată a metalului. Când titanul este implantat ca implant, acesta se va uza cu instrumentele de operare într-o anumită măsură, ceea ce va distruge pelicula de oxid de la suprafață. Dacă această peliculă de oxid nu poate fi reparată la timp, metalul implantat se va coroda în continuare sau chiar se va defecta.
Materialele biomedicale reprezintă baza materială importantă pentru dezvoltarea rapidă a medicinei clinice moderne și sunt principalele subiecte ale cercetării materialelor în secolul al XXI-lea. Titanul, ca un nou tip de material rezistent la coroziune-, a făcut progrese mari. Datorită biocompatibilității sale bune și rezistenței la coroziune, a fost utilizat pe scară largă în domeniul biomedical. Cu toate acestea, există încă multe probleme de rezolvat în aplicarea titanului în mediul uman. Prin urmare, performanța materialelor de titan în toate aspectele ar trebui studiată în profunzime pentru a proiecta și a începe dezvoltarea mai rapidă a materialelor biomedicale.
