Y2O3/TNTZ生物钛合金腐蚀磨损性能研究

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Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr(TNTZ)系以d电子理论设计研发的p型医用钛合金,它具有较高的比强度、较低的弹性模量(与人体骨组织较为接近,约为60 GPa)、良好的生物相容性等,从而适合做骨科修复材料、人工关节等硬组织替代物。然而,其剪切抗力较差,仍存在腐蚀磨损性能不佳等问题。本文采用向合金中添加稀土氧化物(Y203)的方法,旨在改善合金在人体中的腐蚀磨损性能,研究稀土氧化物Y2O3对TNTZ腐蚀磨损的影响规律,探究Y203对合金腐蚀磨损交互作用的影响机制,开发改善合金腐蚀磨损性能的有效途径。本研究在TNTZ合金冶炼过程中添加Y2O3, Y元素含量分别为0、0.05%、0.]0%、0.20%。采用美国UMT-2摩擦磨损试验机测试合金在空气、去离子水、人体模拟液(SBF)环境下的摩擦磨损性能,采用电子天平测量合金的磨损量,并用扫描电子显微镜(SEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)观察合金磨损表面形貌。研究表明:Y203添加使TNTZ合金在空气中的耐磨性能得到改善,磨损机制以粘着磨损为主。在干摩擦条件下,Y2O3/TNTZ合金耐磨性能的改善源于Y203粒子对合金硬度改善,以及其弥散强化作用阻碍了位错运动与裂纹扩展,使合金耐磨损能力增强。在SBF和去离子水环境下,由于水分子具有润滑和散热作用,Y2O3/TNTZ合金的磨损量、摩擦系数均较在空气中小,Y2O3/TNTZ合金的摩擦磨损仍以粘着磨损为主。相对于在空气和去离子水环境中,Y203添加使TNTZ合金在SBF中的腐蚀耐磨性能显著改善,磨损量大幅下降。主要是由于添加Y203一方面可以提高合金的硬度、阻碍位错运动与裂纹扩展,改善耐磨性;另一方面,添加Y203粒子可以抑制钝化膜的溶解反应,促进生成更加稳定、致密的钝化膜,同时Y203粒子作为耐蚀相,可以保护基体,亦可提高耐蚀性。由此抑制了腐蚀磨损过程中腐蚀对磨损的加速作用,提高了合金在SBF环境下的耐腐蚀磨损性。
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