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钛合金的腐蚀机理

钛是 IVB 族过渡元素,化学性质较活泼,与氧有很大的亲合力。在任何含氧介质中,钛的表面容易生成一层致密的钝化膜,这层钝化膜极薄,其厚度通常为几纳米~几十纳米。钛合金钝化膜的存在致使表面活性溶解的面积减少,溶解速率减慢,从而抵制了溶解造成的损害。另外,钝化膜也能够自动修复,当受到破坏时,能迅速地形成新的保护膜。因此,钛的耐蚀性能良好。植入生物体的金属钛,腐蚀形式可分为孔蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀以及磨损腐蚀等。

1.应力腐蚀

应力腐蚀是指拉应力和腐蚀同时作用时使金属产生破裂的现象。大致过程为:拉应力的作用使金属表面生成的保护膜开始破裂,形成点蚀或缝隙腐蚀的裂纹源,向纵深发展, 同时拉应力的作用可以使保护膜反复破裂,形成与拉应力垂直方向的裂缝,甚至导致断裂。

2.缝隙腐蚀

当介质处于金属部件与金属或非金属之间形成的缝隙中时, 可使缝内金属加速腐蚀, 称为缝隙腐蚀。缝隙腐蚀是一种局部腐蚀。当钛及钛合金存在缝隙时,由于缝隙内缺少氧化性的物质,使其成为阳极而发生腐蚀,破坏钝化膜。一般情况下,缝隙腐蚀经历三个阶段:①消耗缝隙内的氧;②形成宏观电池,pH值下降;③钝化膜活化溶解,直至完全破坏。研究发现,在 37℃的 Hanks‘ 溶液中,材料的缝隙腐蚀程度由大到小排列为:NiTi>NiTiCu>316L>Ti6Al4V≈Ti;Ti 和 Ti6AI4V 在 Hanks‘ 溶液中有很强的耐缝隙腐蚀能力。

3.磨损腐蚀

磨损腐蚀是金属与介质相互接触时, 相对运动速度较大,致使金属表面遭受磨损,进而引起金属的加速腐蚀。当钛作为种植体被植入时,与操作器械会发生一定程度的磨损, 使表面存在的氧化膜遭到破坏。如果这层氧化膜不能及时修复,植入金属将会进一步腐蚀甚至失效。

生物医用材料是现代临床医学快速发展的重要物质基础,是 2l 世纪材料研究的主要课题。 钛作为一种新型耐蚀材料已经取得了巨大发展, 由于其较好的生物相容性和耐蚀性, 在生物医学领域受到广泛应用。但钛在人体环境中的应用仍然有很多问题亟待解决。因此,对钛材各方面的性能进行深入研究,设计并开动生物医用材料的更快发展。