Με την κοινωνική πρόοδο και την οικονομική ανάπτυξη, ιδιαίτερα την πρόοδο της επιστήμης και της τεχνολογίας, η ιατρική υπόθεση έχει σημειώσει αξιοσημείωτα επιτεύγματα. Μεταξύ αυτών, τα υλικά ιατρικών προϊόντων που αναπτύχθηκαν τα τελευταία χρόνια διαδραματίζουν αναντικατάστατο ρόλο στη θεραπεία και επιδιόρθωση των ανθρώπινων ιστών και στη βελτίωση των λειτουργιών των ανθρώπινων ιστών και οργάνων, ενώ το τιτάνιο και τα κράματα ταινιών χρησιμοποιούνται ευρέως. Παρακάτω, αυτή η εργασία αναλύει εν συντομία την αντοχή στη διάβρωση του ιατρικού τιτανίου.
Ως σημαντικό λειτουργικό υλικό, το τιτάνιο χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροδιαστημική, την ενεργειακή βιομηχανία, τις ιατρικές προμήθειες και άλλους τομείς λόγω της χαμηλής πυκνότητάς του, της υψηλής ειδικής αντοχής και της καλής αντοχής στη διάβρωση. Η ανάπτυξη του ιατρικού τιτανίου και των κραμάτων τιτανίου μπορεί χονδρικά να χωριστεί σε τρεις περιόδους:
Το πρώτο στάδιο αντιπροσωπεύεται από καθαρό τιτάνιο και Ti-6AI-4V. Η δεύτερη περίοδος είναι: + Ti-5a1-2,5fe και Ti-6Al-7Nb είναι αντιπροσωπευτικά κράματα. Το τρίτο στάδιο είναι η ανάπτυξη προϊόντων με καλύτερη βιολογική απόδοση και χαμηλότερο μέτρο ελαστικότητας. Τύπος ένα κράμα τιτανίου είναι η κύρια γραμμή άμυνας. Η εφαρμογή νέων υλικών από κράμα τιτανίου θα είναι η κατεύθυνση ανάπτυξης των σημερινών παραδοσιακών ιατρικών συσκευών.
Η έρευνα για υλικά από ιατρικό κράμα τιτανίου ξεκίνησε στην Κίνα τη δεκαετία του 1970 όταν αναπτύχθηκε το ti-2,5al-2,5mo-2,5zr (TAMZ). Στη δεκαετία του 1990, τα Ti-6Al-4V, ti-al-2.5fe και ti-6 με ανεξάρτητα δικαιώματα πνευματικής ιδιοκτησίας αναπτύχθηκαν διαδοχικά
Υλικό Al-7nb. Η Κινεζική Ακαδημία Επιστημών έχει επίσης αναπτύξει νέο κράμα τιτανίου ti-24nb-4zr-7.6sn. Επί του παρόντος, η ανάπτυξη του κράματος τιτανίου στην Κίνα επικεντρώνεται κυρίως στην ανακάλυψη νέων υλικών και στην ενεργό εφαρμογή υλικών από κράμα τιτανίου.
1, Διάβρωση τιτανίου
Το τιτάνιο είναι ένα θερμοδυναμικά ασταθές μέταλλο και το δυναμικό αμβλύνσεως του είναι αρνητικό. Το τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου είναι -1,63v. Επομένως, είναι εύκολο να σχηματιστεί ένα φιλμ οξειδίου με ιδιότητα παθητικοποίησης στην ατμόσφαιρα και υδατικό διάλυμα, με καλή αντοχή στη διάβρωση
1. Αντοχή στη διάβρωση του τιτανίου σε διαφορετικά μέσα
Είναι πολύ σημαντικό να μελετηθεί η αντοχή στη διάβρωση των ιατρικών υλικών. Από τη μία πλευρά, ορισμένα μεταλλικά ιόντα ή προϊόντα διάβρωσης εμφυτευμένων υλικών διεισδύουν σε βιολογικούς ιστούς, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει φυσιολογικές αντιδράσεις διαφορετικού βαθμού. Από την άλλη πλευρά, λόγω της παρουσίας σωματικών υγρών, η απόδοση ορισμένων υλικών μπορεί να υποβαθμιστεί σοβαρά, με αποτέλεσμα τη γρήγορη βλάβη ή ακόμα και την αστοχία τους. Το περιβάλλον του ανθρώπινου σώματος είναι σχετικά πολύπλοκο, το οποίο είναι πιο πιθανό να προκαλέσει τη διάλυση των ιχνοστοιχείων και να αλλάξει τη σταθερότητα του στρώματος οξειδίου. Η ελαφρά τριβή μπορεί να καταστρέψει το φιλμ παθητικοποίησης που σχηματίζεται στην επιφάνεια του τιτανίου σε διάφορους βαθμούς. Για παράδειγμα, σε περιβάλλον φτωχό σε οξυγόνο, η σταθερότητα του στρώματος οξειδίου εξασθενεί και όταν καταστραφεί, δεν μπορεί να επισκευαστεί αμέσως ή να σχηματιστεί ένα νέο στρώμα οξειδίου, το οποίο είναι πιο πιθανό να προκαλέσει διάβρωση. Αυτό το είδος κατάστασης δύσκολα μπορεί να αποφευχθεί με την επαναλαμβανόμενη κίνηση του ανθρώπινου σώματος και τη χρήση οργάνων. Η πλαστική παραμόρφωση θα αλλάξει τη δομική κατάσταση των υλικών και στη συνέχεια θα επηρεάσει την απόδοση διάβρωσης των υλικών. Η επίδραση της πλαστικής παραμόρφωσης στις ιδιότητες διάβρωσης των υλικών είναι διαφορετική. Κατά τη διαδικασία της πλαστικής παραμόρφωσης, εμφανίζονται ελαττώματα στη διεπιφάνεια και τους κόκκους λόγω της συγκέντρωσης της εσωτερικής τάσης. Επομένως, η πλαστική παραμόρφωση θα αποδυναμώσει την αντίσταση στη διάβρωση των υλικών.
2. Μηχανισμός διάβρωσης τιτανίου
Το τιτάνιο είναι ένα μεταβατικό στοιχείο της ομάδας IVB, το οποίο είναι χημικά ενεργό και έχει μεγάλη συγγένεια με το οξυγόνο. Σε οποιοδήποτε μέσο που περιέχει-οξυγόνο, είναι εύκολο να σχηματιστεί ένα πυκνό φιλμ παθητικοποίησης στην επιφάνεια του τιτανίου, το οποίο είναι πολύ λεπτό και το πάχος του είναι συνήθως από αρκετά νανόμετρα έως δεκάδες νανόμετρα. Η ύπαρξη φιλμ παθητικοποίησης από κράμα τιτανίου μειώνει την επιφανειακά ενεργή περιοχή διάλυσης και τον ρυθμό διάλυσης, αντιστέκοντας έτσι στη ζημιά που προκαλείται από τη διάλυση. Επιπλέον, η μεμβράνη παθητικοποίησης μπορεί επίσης να επισκευαστεί αυτόματα και όταν καταστραφεί, μπορεί να σχηματιστεί γρήγορα μια νέα προστατευτική μεμβράνη. Επομένως, το τιτάνιο έχει καλή αντοχή στη διάβρωση. Οι μορφές διάβρωσης του τιτανίου που εμφυτεύονται στον οργανισμό μπορούν να χωριστούν σε διάβρωση διάτρησης, διάβρωση λόγω τάσης, διάβρωση ρωγμών, γαλβανική διάβρωση και διάβρωση φθοράς.
2.1 εσωτερική διάβρωση
Η διάβρωση λόγω καταπόνησης αναφέρεται στο φαινόμενο όπου το μέταλλο ραγίζει όταν η τάση εφελκυσμού και η διάβρωση δρουν ταυτόχρονα. Η γενική διαδικασία είναι η εξής: η δράση της εφελκυστικής τάσης προκαλεί τη θραύση της προστατευτικής μεμβράνης που σχηματίζεται στη μεταλλική επιφάνεια, σχηματίζοντας την πηγή ρωγμής της διάβρωσης με κοιλότητες ή ρωγμές και αναπτύσσεται σε βάθος. Ταυτόχρονα, η δράση της εφελκυστικής τάσης μπορεί να προκαλέσει επανειλημμένα σπάσιμο της προστατευτικής μεμβράνης, σχηματίζοντας ρωγμές κάθετες στην τάση εφελκυσμού, και ακόμη και θραύση.
2.1.1 λόγοι που επηρεάζουν την αντίδραση καταπόνησης του κράματος τιτανίου
Το SCC από κράμα τιτανίου είναι αποτέλεσμα περιβάλλοντος, καταπόνησης και υλικού. Το SCC είναι εξαιρετικά επιλεκτικό, εφόσον αλλάξει κάποιος από τους τρεις παραπάνω παράγοντες, το SCC δεν θα συμβεί.
1) Περιβάλλον
(1) Μεσαίο
SCC κράματος τιτανίου μπορεί να εμφανιστεί υπό τη δράση πολλών μέσων όπως υδατικό διάλυμα, απεσταγμένο νερό, οργανικό διάλυμα και ζεστό αλάτι. Ο μηχανισμός SCC είναι διαφορετικός σε διαφορετικά μέσα.
(2) Τιμή PH
Η επίδραση της τιμής του pH στο SCC του κράματος τιτανίου είναι ακόμα αρκετά διαφορετική. Γενικά, η ευαισθησία SCC του κράματος τιτανίου μειώνεται με την αύξηση της τιμής του pH. Όταν η τιμή του pH είναι 13-14, το SCC μπορεί συχνά να κατασταλεί. Ωστόσο, ένα ισχυρό διαβρωτικό περιβάλλον με τιμή pH 2-3 μπορεί να σχηματιστεί ακόμη και στο μπροστινό μέρος των τοπικών ρωγμών όπου συμβαίνουν αλλαγές SCC.
(3) Δυνατότητα
Η επίδραση του δυναμικού στον βαθμό SCC είναι καθοριστική. Το ευαίσθητο δυναμικό SCC του κράματος είναι διαφορετικό με το σύστημα διάβρωσης που αποτελείται από κράμα και μέσο. Για παράδειγμα, όταν το δυναμικό του β-κράματος τιτανίου στο υδατικό διάλυμα που περιέχει αλογονίδιο είναι περίπου - 600mV, το SCC επιδεινώνεται. Κάτω από το δυναμικό υπερβολικής παθητικοποίησης, εμφανίζονται επίσης ρωγμές. Ωστόσο, όταν το δυναμικό είναι μικρότερο από - 1000mV, δεν υπάρχει ρωγμή. Στο υδατικό διάλυμα που περιέχει Cl - και Br -, το ευαίσθητο δυναμικό SCC του ti8al1mo1v είναι - 500mv - - 600mV. Στο υδατικό διάλυμα που περιέχει I -, το ευαίσθητο δυναμικό είναι πάνω από 0 mV.
(4) Θερμοκρασία
Η θερμοκρασία είναι ένας από τους σημαντικούς παράγοντες που επηρεάζουν την παραγωγή SCC σε κράματα τιτανίου. Γενικά, η ευαισθησία SCC αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Στο περιβάλλον ζεστού αέρα αλατιού των 300-500 μοιρών, η διάβρωση τάσεων του κράματος ti6al3mo2zr0.5sn είναι πιο ευαίσθητη σε SCC πάνω από 450 βαθμούς. Στο διάλυμα H2S + CO2 + NaCl + s, η ευαισθησία SCC του κράματος Ti6Al4V με μια ορισμένη ποσότητα PD ή Mo είναι χαμηλότερη στους 200 βαθμούς από ό,τι στους 250 βαθμούς. Όμως τα υλικά που εμφυτεύονται στο ανθρώπινο σώμα έχουν περιορισμένη ευαισθησία στη θερμοκρασία.
(5) Συγκέντρωση ιόντων Cl
Όσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση του Cl - στο διάλυμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ευαισθησία SCC.
2) Το άγχος
Τα ατυχήματα SCC που προκαλούνται από την υπολειμματική τάση του κράματος κατά την ψυχρή εργασία, σφυρηλάτηση, συγκόλληση, θερμική επεξεργασία ή συναρμολόγηση αντιπροσωπεύουν το 40% των συνολικών ατυχημάτων SCC. Επιπλέον, η εξωτερική τάση που δημιουργείται κατά τη λειτουργία, η εξωτερική τάση που προκαλείται από την επίδραση όγκου των προϊόντων διάβρωσης ή η ανομοιόμορφη τάση που προκαλείται από την επίδραση όγκου των προϊόντων διάβρωσης είναι όλες οι πηγές τάσης του SCC. Όσο υψηλότερο είναι το επίπεδο πίεσης, τόσο μικρότερος είναι ο χρόνος του SCC.
3) Υλικά
Στο ίδιο περιβαλλοντικό μέσο, εάν η χημική σύνθεση, ο διαχωρισμός, η δομή, το μέγεθος των κόκκων, τα κρυσταλλικά ελαττώματα, οι ιδιότητες, η θερμική επεξεργασία και η επιφανειακή κατάσταση των υλικών είναι διαφορετικές, η συμπεριφορά διάβρωσης λόγω τάσης και ο βαθμός τους είναι επίσης διαφορετικοί. Η προσθήκη μικρής ποσότητας PD, Mo ή Ru στο κράμα τιτανίου μπορεί να μειώσει την ευαισθησία του στη διάβρωση λόγω καταπόνησης. Η ευαισθησία SCC των κραμάτων Ti6Al4V και ti15v3cr3al3sn μετά από επεξεργασία αιχμής γήρανσης είναι υψηλότερη από αυτή των κραμάτων ανόπτησης. Όταν η περιεκτικότητα σε οξυγόνο στο κράμα Ti6Al4V είναι χαμηλότερη από 0,13%, η ευαισθησία SCC μπορεί να μειωθεί σημαντικά.
2.1.2 κοινές λύσεις
Οι ακόλουθες μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξάλειψη ή τη μείωση της ευαισθησίας SCC του κράματος τιτανίου σε ορισμένα μέσα:
1) Εξαλείψτε την υπολειπόμενη καταπόνηση
Η τοπική υπολειμματική τάση που δημιουργείται μετά την κατασκευή των εξαρτημάτων μπορεί να εξαλειφθεί μέσω συνολικής ανόπτησης ή τοπικής ανόπτησης. Αυτή τη στιγμή, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η αρνητική επίδραση της θερμικής επεξεργασίας στην αντοχή, την πλαστικότητα ή τη σκληρότητα του υλικού.
2) Κραματοποίηση
Για τα παραδοσιακά κράματα, μια κατάλληλη ποσότητα PD, Mo ή Ru μπορεί να προστεθεί στο κράμα ανάλογα με την κατάσταση για να βελτιωθεί η αντοχή του στο SCC.
3) Επιφανειακή επεξεργασία
Βελτιώνοντας την ποιότητα της επιφάνειας του κράματος τιτανίου, μπορεί να βελτιωθεί η βιοσυμβατότητα και η αντίσταση στη φθορά του υλικού και ο χρόνος και η ταχύτητα δημιουργίας ρωγμών μπορεί να μειωθεί και να καθυστερήσει.
2.2 διάβρωση ρωγμών
Όταν το μέσο βρίσκεται στο διάκενο που σχηματίζεται μεταξύ του μεταλλικού τμήματος και του μετάλλου ή μη{0}}μετάλλου, μπορεί να επιταχύνει τη διάβρωση του μετάλλου στο διάκενο, η οποία ονομάζεται διάβρωση με διάκενο. Η διάβρωση ρωγμών είναι ένα είδος τοπικής διάβρωσης. Όταν υπάρχει κενό στο τιτάνιο και το κράμα τιτανίου, λόγω της έλλειψης οξειδωτικών ουσιών στο διάκενο, γίνεται άνοδος και διαβρώνεται, καταστρέφοντας το φιλμ παθητικοποίησης. Γενικά, η διάβρωση των ρωγμών περνά από τρία στάδια: ① κατανάλωση οξυγόνου στη σχισμή. ② Σχηματίζοντας μια μπαταρία μακροεντολής και η τιμή του pH πέφτει. ③ Το φιλμ παθητικοποίησης ενεργοποιείται και διαλύεται μέχρι να καταστραφεί πλήρως. Βρέθηκε ότι ο βαθμός διάβρωσης της ρωγμής του υλικού στο διάλυμα του Hanks στους 37 βαθμούς είναι NiTi > NiTiCu > 316L > Ti6Al4V ≈ Ti; Το Ti και το Ti6AI4V έχουν ισχυρή αντοχή στη διάβρωση στις ρωγμές στη λύση του Hanks.
2.3 φθορά και διάβρωση
Η διάβρωση φθοράς είναι ότι όταν το μέταλλο και το μέσο έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, η σχετική ταχύτητα κίνησης είναι μεγάλη, γεγονός που προκαλεί φθορά στη μεταλλική επιφάνεια και στη συνέχεια προκαλεί επιταχυνόμενη διάβρωση του μετάλλου. Όταν το τιτάνιο εμφυτεύεται ως εμφύτευμα, θα φθείρεται με τα όργανα λειτουργίας σε κάποιο βαθμό, γεγονός που θα καταστρέψει το φιλμ οξειδίου στην επιφάνεια. Εάν αυτό το φιλμ οξειδίου δεν μπορεί να επισκευαστεί εγκαίρως, το εμφυτευμένο μέταλλο θα διαβρωθεί περαιτέρω ή ακόμη και θα αποτύχει.
Τα βιοϊατρικά υλικά αποτελούν τη σημαντική υλική βάση για την ταχεία ανάπτυξη της σύγχρονης κλινικής ιατρικής και αποτελούν τα κύρια θέματα της έρευνας υλικού στον 21ο αιώνα. Το τιτάνιο, ως νέος τύπος υλικού ανθεκτικού στη διάβρωση-, έχει σημειώσει μεγάλη πρόοδο. Λόγω της καλής βιοσυμβατότητάς του και της αντοχής στη διάβρωση, έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στον βιοϊατρικό τομέα. Ωστόσο, υπάρχουν ακόμη πολλά προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν στην εφαρμογή του τιτανίου στο ανθρώπινο περιβάλλον. Επομένως, η απόδοση των υλικών τιτανίου σε όλες τις πτυχές θα πρέπει να μελετηθεί σε βάθος για να σχεδιαστεί και να ξεκινήσει η ταχύτερη ανάπτυξη βιοϊατρικών υλικών.
