齒科用Ti-In系合金的組織結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、鈦及其合金具有優(yōu)越的機械性能、生物相容性和耐腐蝕性等優(yōu)點,被廣泛用作生物材料。但用來制作牙科修復(fù)體時,鈦及鈦合金仍然顯現(xiàn)出一些不足。例如,純鈦作為義齒基托或活動義齒卡環(huán)時強度略有不足,容易發(fā)生折斷和變形;鈦及鈦合金義齒的耐磨性較差,必須定期更換,以避免產(chǎn)生顳下頜關(guān)節(jié)紊亂;Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb擁有足夠的強度,但含有毒性元素Al和V,存在潛在的毒性問題。為了克服上述缺點,人們開始研究新型無毒齒科鈦合金。本論文首先將傳統(tǒng)牙

2、科貴金屬合金中常用的元素In引入純鈦,制備Ti-1In、Ti-5In、Ti-10In和Ti-15In合金。然后在Ti-5In合金基礎(chǔ)上添加一種α-Ti穩(wěn)定元素Sn(1at％、3at％、5at％)和一種β-Ti穩(wěn)定元素Mo(1at％、3at％、5at％),形成Ti-In、Ti-In-Sn和Ti-In-Mo三個合金體系,并分別研究合金元素的種類及含量對合金的組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。
　　 研究結(jié)果表明,Ti-In系合金的實際成分與名義

3、成分有偏差,合金元素含量越高,其損失比例也越大。三種合金系的顯微組織均為典型的層片狀或針狀,只有Ti-5In-5Mo合金為等軸狀β晶粒和針狀α的混合。α穩(wěn)定元素In和Sn具有固溶強化作用,顯著提高了Ti-In和Ti-In-Sn合金的強度,在一定程度上降低了延伸率,但對彎曲彈性模量沒有明顯影響。β穩(wěn)定元素Mo也有一定的強化作用,添加1％和3％的Mo使合金強度提高,添加5％Mo使合金發(fā)生雙屈服現(xiàn)象。隨著Mo含量的增加,Ti-In-Mo合金出

4、現(xiàn)較多的β相,使彎曲模量先升高后降低。
　　 耐磨性測試結(jié)果表明,合金元素對摩擦磨損過程的影響較大。首先,合金的強度越高,穩(wěn)定摩擦系數(shù)越低。其次,對于α穩(wěn)定元素,當添加量較少時,其影響有限,合金的摩擦系數(shù)首先出現(xiàn)短暫的低位平臺,隨后進入過渡階段和穩(wěn)定階段(如Ti-1In、Ti-5In、Ti-10In、Ti-5In-1Sn和Ti-5In-3Sn);隨著添加量的增加(如Ti-15In和Ti-5In-5Sn),摩擦系數(shù)低位平臺消失,磨

5、粒磨損特征顯著,磨損速率增加。相比之下,加入1at％Mo便引起摩擦系數(shù)低位平臺的消失。分析認為,摩擦系數(shù)的低位平臺是由表面氧化層的減磨作用引起的。研究結(jié)果表明,Ti-15In、Ti-5In-5Sn和Ti-5In-3Mo合金的磨損以磨粒磨損為主,其余合金的磨損方式為黏著磨損和磨粒磨損共存。
　　 對合金電化學(xué)腐蝕行為的研究發(fā)現(xiàn),Ti-In系合金在模擬唾液中具有與純鈦相當?shù)哪臀g性,維鈍電流密度為10μA/cm2左右。在加入NaF的模

6、擬唾液中,Ti-In系合金的耐蝕性顯著降低,F-的存在破壞了表面氧化膜的保護性,使維鈍電流密度增加1～2個數(shù)量級,腐蝕速度加快。腐蝕形貌的顯著差異表明合金具有不同的腐蝕機理。在加入H2O2的模擬唾液中,Ti-In系合金更易發(fā)生氧化(腐蝕)反應(yīng),表面氧化膜的形成時間縮短,厚度增加,造成合金的開路電位升高。隨著H2O2濃度的增加,合金表面氧化膜粗糙度變大,氧化膜結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化,導(dǎo)致極化電阻先降低后升高。
　　 離子溶出試驗結(jié)果表明,

7、添加合金元素使離子溶出總量增加,其中很大程度來源于Ti溶出量的增加。Ti-In系合金的離子溶出速率按以下順序遞增:TA2＜Ti-5In＜Ti-5In-5Sn＜Ti-5In-5Mo。對浸泡后的合金進行表面成分分析發(fā)現(xiàn),Ti-In系合金表面的氧化膜由各種合金元素的氧化物組成,以TiO2為主,并伴有In2O3和SnO2或MoO3。這種以TiO2為主的表面氧化膜賦予Ti-In系合金良好的生物相容性。所有合金的溶血率均小于1％,滿足人體對材料溶血