生物医学用镍钛形状记忆合金激光表面改性的研究

【摘要】： 近等原子比NiTi合金由于具有独特的形状记忆、超弹性以及射线不透性， 因而使其在生物医学领域具有广泛的应用前景。利用形状记忆合金可以制备具有 自锁紧、自膨胀及自压缩功能的植入物。 理想的金属生物材料，除了力学、加工等方面的性能要求以外，必须具有良 好的生物相容性，以保证材料在人体内长期植入过程的安全性。决定金属材料生 物相容性的因素主要有两个，一个是合金组元本身固有的毒性，另一个是合金材 料在人体环境中的腐蚀行为。众所周知，过量的Ni元素在人体内会引起过敏、 发炎甚至癌症。因此，提高NiTi合金的耐蚀性是改善其生物相容性的有效途径。 本文采用Nd-YAG激光表面修饰的方法，包括激光表面重熔和激光气体合金化， 对临床常用、成分为Ti-50.8at%Ni 的NiTi合金进行表面改性，利用SEM、XRD、 XPS等设备分析、确定了改性层成分、结构特征，并在模拟体液环境中对经过改 性的NiTi合金的腐蚀及气蚀行为进行了测试。结果表明： 热轧并经过机械抛光后的Ti-50.8 at%Ni合金相组成主要为单相B2-NiTi，组 织中存在第二相及夹杂物。合金表面的化学成分中含有C、O、Ti、Ni等元素， 其中C和部分O来自于周围环境的污染，另一部分O与Ti形成氧化物。合金的 4+ 表面层由NiTi+TiO 2+Ti 2O 3构成，未发现有Ni的氧化物存在，外表面Ti /Ti为 1.19，表层氧化膜的厚度约为52.2nm。 利用Nd-YAG激光对NiTi合金进行激光重熔处理，在适宜的激光参数下， 重熔层组织得到明显净化，夹杂物显著减少，致密度提高，能获得超细晶粒，重 熔层与基体金属之间具有很高的结合强度。激光重熔层中会有新相NiTi 2、Ni 3Ti、 NiTiO 3及马氏体相B19′出现，显微硬度下降。重熔层化学成分也会发生明显的 4+ 变化，富Ti层厚度及表层氧化物厚度显著增加，外表面Ti /Ti由处理前的1.19 提高到5.11。本文研究了金属激光表面熔凝处理过程的数学模型。 在空气中对NiTi合金进行激光氧化处理，可以促进合金表面的氧化过程， 表层TiO 2 的存在量明显多于激光处理前，有利于在合金表面得到完整的氧化物 层，且其厚度在处理后增加44%，处理后表层富Ti层深度明显增加，达到35nm。 采用激光气体氮化的方法可以在NiTi合金表面制备均匀、连续、无裂纹、厚度 约为2μm的TiN表面层，氮化层主要由 TiN组成，其中含有金属Ti和极微量 的TiO，该TiN表面层与重熔层之间具有良好的结合。在外表层TiN以下显微组 织由NiTi和TiN枝晶组成，TiN枝晶的取向主要与外表层垂直。激光气体氮化 可以强烈改变NiTi合金组元沿表面层的分布，经过激光气体氮化后，合金外表