Kovinski titan se kot pomemben funkcionalni material zaradi nizke gostote, visoke specifične trdnosti in dobre odpornosti proti koroziji pogosto uporablja v vesoljski industriji, energetski industriji, medicinskih pripomočkih in na drugih področjih. Razvoj medicinskega titana in titanovih zlitin v grobem delimo na tri obdobja:
Prvo obdobje predstavljata čisti titan in Ti-6AI-4V; drugo obdobje predstavljajo zlitine tipa + -Ti-5A1-2.5Fe in Ti-6Al-7Nb; tretje obdobje pa predstavlja razvoj titanovih zlitin z boljšimi biološkimi lastnostmi in nižjim elastičnim modulom kot glavno obrambno linijo. Uporaba novih materialov iz titanovih zlitin bo trenutna smer glavnega razvoja medicinskih pripomočkov.
Raziskave materialov iz medicinskih titanovih zlitin na Kitajskem so se začele v 1970-ih letih, Northwest Nonferrous Metals Research Institute je razvil Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr (TAMZ) in v 1990-ih so razvili z neodvisnimi pravicami intelektualne lastnine materialov Ti-6Al-4V, Ti-Al-2.5Fe in Ti-6Al-7Nb. Kitajska akademija znanosti je razvila tudi novo titanovo zlitino Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn. Kitajski trenutni razvoj titanovih zlitin za preboj novih materialov in materialov iz titanovih zlitin za aktivno uporabo glavne smeri.
I. Korozija titana
Titan je termodinamično nestabilna kovina, pasivni potencial je bolj negativen, standardni elektrodni potencial -1.63V. Zato je v atmosferi in vodni raztopini enostavno oblikovati plast oksidiranega filma s pasivnimi lastnostmi, boljšo odpornostjo proti koroziji.
1, korozijska odpornost titana v različnih medijih
Zelo pomembno je preučiti odpornost medicinskih materialov proti koroziji. Po eni strani nekateri kovinski ioni ali produkti korozije implantiranega materiala prodrejo v tkiva organizma, kar lahko sproži različne stopnje fizioloških reakcij; po drugi strani pa je lahko zaradi prisotnosti telesnih tekočin močno zmanjšano delovanje nekaterih materialov, kar povzroči hitro poškodbo ali celo odpoved. Relativno zapleteno okolje človeškega telesa bo bolj verjetno povzročilo raztapljanje elementov v sledovih in spremenilo stabilnost oksidne plasti. Rahlo trenje lahko povzroči nastanek titanovega površinskega pasivacijskega filma, ki je utrpel različne stopnje poškodbe, na primer v okolju, revnem s kisikom, je stabilnost oksidne plasti oslabljena, ni je mogoče takoj popraviti, če je poškodovana ali nastane nova oksidna plast. , večja verjetnost, da povzroči korozijo. Ta situacija je skoraj neizogibna pri ponavljajočem se gibanju človeškega telesa in uporabi instrumentov. Plastična deformacija bo spremenila organizacijsko stanje materiala, kar bo posledično vplivalo na korozijsko učinkovitost materiala. Različne stopnje plastične deformacije na korozijsko učinkovitost materiala se zelo razlikujejo. V procesu plastične deformacije bo plastična deformacija zaradi koncentracije notranjih napetosti, ki povzročijo napake na vmesniku in zrnih, oslabila korozijsko odpornost materiala.
2, titanov korozijski mehanizem
Titan je prehodni element skupine IVB, kemijska narava je bolj aktivna, kisik pa ima veliko afiniteto. V katerem koli mediju, ki vsebuje kisik, je na površini titana enostavno ustvariti gosto pasivno folijo, pasivna folija je izjemno tanka, njena debelina je običajno nekaj nanometrov do deset nanometrov. Prisotnost pasivacijskega filma na titanovih zlitinah povzroči zmanjšanje površine površinsko aktivnega raztapljanja in upočasnitev hitrosti raztapljanja, s čimer se upira poškodbam, ki jih povzroči raztapljanje. Poleg tega je pasivna folija sposobna samodejnega popravljanja, ko je poškodovana, lahko hitro tvori novo zaščitno folijo. Posledično ima titan dobro odpornost proti koroziji. Kovinski titan, implantiran v žive organizme, lahko obliko korozije razdelimo na korozijo por, napetostno korozijo, režno korozijo, korozijo galvanske sklopke in obrabno korozijo.
2.1 Napetostna korozija
Napetostna korozija je pojav pretrganja kovine, ko natezna napetost in korozija delujeta sočasno. Splošni proces je: vloga natezne napetosti, tako da je zaščitna folija, ki nastane na površini kovine, začela počiti, nastanek luknjičaste korozije ali izvora razpoke zaradi korozije, do vzdolžne globine razvoja, ob istem času, vloga natezne napetosti lahko povzroči, da se zaščitna folija večkrat zlomi, nastanek razpoke pravokotno na smer natezne napetosti ali celo povzroči zlom.
2.1.1 Dejavniki, ki vplivajo na napetostno korozijo titanove zlitine
Pojav SCC na titanovi zlitini je rezultat skupnega delovanja treh dejavnikov: okolja, stresa in materiala, SCC je zelo selektiven, dokler se spremeni kateri koli od zgornjih treh dejavnikov, SCC ne bo prišlo.
(1) Okolje
(1) Srednje
Titanove zlitine so lahko podvržene SCC v številnih vodnih raztopinah, destilirani vodi, organskih raztopinah in vročih soli itd. Mehanizem SCC ni enak v različnih medijih.
(2)vrednost pH
pH vrednost učinka SCC iz titanove zlitine obstaja precejšnje nesoglasje. Na splošno se s povečanjem vrednosti pH zmanjša občutljivost SCC titanove zlitine, ko lahko pH vrednost 13-14 pogosto zavira SCC, vendar lahko spremembe SCC na sprednji strani lokalnih razpok celo tvorijo močno jedko okolje s pH vrednostjo 2-3.
(3) Potencial
Učinek potenciala na stopnjo SCC je kritičen. Sestava zlitine in medija korozijskega sistema je drugačna, njen občutljivi potencial SCC je drugačen. Kot je B - titanova zlitina, ki vsebuje halogenide v vodni raztopini, ko je potencial v bližini -600 mV, SCC poslabšanje; v potencialu prekomerne pasivizacije bi morale nastati tudi razpoke; vendar pri nižjem od -1000mV potenciala ni razpokano. V vodni raztopini, ki vsebuje Cl- in Br-, je SCC občutljiv potencial Ti8Al1Mo1V -500mV{{10}}mV, medtem ko je v vodni raztopini, ki vsebuje I-, 0mV ali več občutljivo potencialno območje.
(4) Temperatura
Temperatura je eden od pomembnih dejavnikov, ki vplivajo na SCC titanovih zlitin. Na splošno se temperatura poveča, poveča se občutljivost SCC. V okolju z vročo soljo in zrakom {{0}} stopinj je napetostna korozija zlitine Ti6Al3Mo2Zr0,5Sn pri 450 stopinjah ali več občutljiva na SCC. Zlitine Ti6Al4V z določeno količino Pd ali Mo v raztopini H2S+CO2+NaCl+S so bile manj občutljive na SCC pri 200 stopinjah kot pri 250 stopinjah. Vendar pa je temperaturna občutljivost materiala, vsajenega v človeško telo, omejena.
(5) Koncentracija ionov Cl
Višja kot je koncentracija Cl- v raztopini, večja je njena občutljivost na SCC.
(2) Stres
Nesreče SCC, ki jih povzročijo preostale napetosti, nastale med hladnim obdelovanjem, kovanjem, varjenjem, toplotno obdelavo ali sestavljanjem zlitin, predstavljajo 40 % vseh nesreč SCC. Poleg tega so zunanje napetosti, ki nastanejo med delom ali zaradi volumskega učinka korozijskih produktov, ali neenakomerne napetosti zaradi volumskega učinka korozijskih produktov itd., vsi viri napetosti, ki ustvarjajo SCC. Višja kot je stopnja stresa, krajši je čas za pojav SCC.
3) Gradivo
Če so kemična sestava materiala, segregacija, organizacija, velikost zrn, kristalne napake, lastnosti, toplotna obdelava in stanje površine itd. v istem okoljskem mediju različni, sta različni tudi njegovo obnašanje in stopnja napetostne korozije. Dodatek majhnih količin Pd, Mo ali Ru titanovim zlitinam lahko zmanjša njihovo občutljivost na napetostno korozijo. Občutljivost SCC zlitin Ti6Al4V in Ti15V3Cr3Al3Sn, obdelanih z najvišjim staranjem, je večja kot v žarjenem stanju. Ko je vsebnost kisika v zlitini Ti6Al4V nižja od 0.13 %, se lahko občutljivost SCC močno zmanjša.
2.1.2 Skupne rešitve
Za odpravo ali zmanjšanje občutljivosti titanovih zlitin na SCC v določenem mediju je mogoče uporabiti naslednje rešitve.
(1) Odpravite preostalo napetost
Lahko se odpravi s celotnim žarjenjem ali metodo lokalnega žarjenja, da se odpravi lokalna zaostala napetost, ki nastane po izdelavi delov. V tem času je treba upoštevati negativen vpliv toplotne obdelave na trdnost, plastičnost ali žilavost materiala.
(2) legiranje
Pri tradicionalnih zlitinah je treba glede na razmere v zlitini dodati ustrezno količino Pd, Mo ali Ru za izboljšanje njene odpornosti proti SCC.
3) Površinska obdelava
Z izboljšanjem kakovosti površine titanovih zlitin izboljšamo biokompatibilnost in odpornost proti obrabi materiala, zmanjšamo in odložimo čas in hitrost razpok.
2.2 špranjska korozija
When the medium in the metal parts and metal or non-metallic gap between the formation of the gap, can make the gap in the metal to accelerate corrosion, known as crevice corrosion. Crevice corrosion is a localized corrosion. When titanium and titanium alloy crevice, due to the lack of oxidizing substances within the crevice, so that it becomes anode and corrosion occurs, destroying the passivation film. In general, crevice corrosion undergoes three stages: ① consumption of oxygen within the crevice; ② formation of macro-cells, pH value decreases; ③ activation and dissolution of the passivation film until it is completely destroyed. It is found that in 37℃ Hanks' solution, the crevice corrosion degree of the material in descending order: NiTi>NiTiCu>316L>Ti6Al4V≈Ti; Ti in Ti6AI4V sta v Hanksovi rešitvi močno odporna proti koroziji.
2.3 Korozija zaradi obrabe
Obrabna korozija je pospešeno rjavenje kovinskih površin, ki ga povzroča visoka hitrost relativnega gibanja kovine v stiku z medijem. Pri vstavitvi titanovih vsadkov pride do določene stopnje abrazije operacijskega instrumenta, ki uniči oksidni film na površini. Če tega oksidnega filma ne popravimo pravočasno, bo implantirana kovina dodatno korodirala ali celo odpovedala.
Zaključek
Biomedicinski materiali so pomembna materialna osnova za hiter razvoj sodobne klinične medicine, so glavna tema raziskav materialov v 21. stoletju. Titan kot nova vrsta materialov, odpornih proti koroziji, je zaradi svoje boljše biokompatibilnosti in odpornosti proti koroziji močno napredoval na področju biomedicine. Vendar pa je pri uporabi titana v človeškem okolju še veliko težav, ki jih je treba rešiti. Zato so potrebne poglobljene študije o različnih vidikih lastnosti titana za načrtovanje in začetek hitrejšega razvoja biomedicinskih materialov.
