医用钛合金Ti-6Al-4V磁控溅射Ti-Nb表面改性

【摘要】：钛合金具有优良的综合性能，被广泛应用于航空航天、化工、船舶制造、汽车制造、生物工程等领域。作为生物替代材料的主要材料，钛合金以其很好的生物相容性成为心脏人工瓣膜、关节置换植入物、心脏模拟器、尿路重建等修复和替代材料的首选。随着人类生活水平不断提高、人口持续增长以及老龄化的日趋严重，对生物医用钛合金材料的需求也不断增加，“廉价、安全、健康、寿命长”的医用钛合金材料日益成为人们理想的最佳选择。 医用钛合金的发展非常迅速，自20世纪60年代开始，纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb等钛合金先后被开发应用，直到目前以Ti-Mo、Ti-Nb、Ti-Ta、Ti-Zr为基体的β钛合金因具有较低的弹性模量和高强度应用最为广泛。Ti-Nb合金生物相容性好、弹性模量最低且具有形状记忆效应，是最具开发潜力的医用钛合金，其中日本开发的Ti-Nb-Sn合金强度高达800MPa，弹性模量为迄今最低的43GPa，非常趋近于人骨弹性模量[1]。然而β钛合金加工工艺复杂、成本高的缺点制约了其快速发展。Ti-6Al-4V钛合金成本低，是现阶段使用量最大的医用钛合金材料，但Ti-6Al-4V在体液中腐蚀释放的Al离子、V离子和磨损产生的颗粒都会危害身体健康。选择恰当的表面改性方法提高耐磨性和耐腐蚀性能够在一定程度上弥补Ti-6Al-4V的缺点。本文提出采用磁控溅射技术在Ti-6Al-4V表面镀渗Ti-Nb薄膜进行表面改性，在保留其机械性能优点的前提下，提高材料的耐腐蚀和耐磨性能。 溅射工艺对薄膜的性能具有决定性作用，其中影响较大的有：溅射功率、溅射气压、溅射时间、偏压、基底温度、靶基距等。设计正交实验，发现溅射功率对Nb薄膜的耐腐蚀性能、表面粗糙度、表面颗粒大小等影响程度最大；溅射功率200W，溅射气压为0.5Pa时，材料表面综合性能较好。 Ti-Nb合金具有弹性模量低、形状记忆和超弹性行为的优点。实验设计制备了总厚度为1μm的多层结构Ti-35%wtNb改性层（文中简写为Ti-35Nb），调制比为3.54：1（一个调制周期内Ti与Nb的厚度比），调制周期分别为1000nm、333nm、200nm、125nm。研究结果显示，调制周期200nm五周期样品表面状况较好，表面粒径较小、分布均匀，粗糙度小；耐腐蚀性能和耐磨性能较好，但表面依旧存在界面和应力问题。 为消除界面、释放应力、强化表面，对经调制周期200nm的五周期Ti-35%wtNb表面改性的Ti-6Al-4V样品进行真空退火实验，退火温度分别选取200℃、400℃、600℃，保温1h后随炉冷却。退火后样品表面完整均匀，无裂纹；硬度明显提高；耐磨性和耐腐蚀性也明显改善。分析其原因，随着退火温度的升高，原子获得了足够的能量满足扩散所需的激活能，摆脱邻近原子的束缚得以扩散，使样品表面晶粒大小分布均匀且出现固溶强化效果。 综上所述，对Ti-6Al-4V进行磁控溅射Ti-Nb表面改性是可行的。Ti-6Al-4V表面磁控溅射Nb溅射工艺中，溅射功率对其性能影响程度最大。Ti-6Al-4V表面磁控溅射调制周期为200nm的Ti-35Nb改性层综合性能较好，但存在应力和界面问题；经600℃退火后，扩散有效解决了应力和界面问题并得到表面固溶效果，硬度、耐磨性和耐腐蚀性大幅提高。