醫(yī)用金屬材料的強(qiáng)流脈沖電子束表面改性研究.pdf

1、醫(yī)用316L不銹鋼及NiTi合金是在目前生物醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的兩種金屬材料。但是作為醫(yī)用植入器械材料，其植入人體后釋放的有害金屬離子及其腐蝕產(chǎn)物都將會(huì)影響機(jī)體正常的生理功能。本文以提高兩種合金的耐蝕性為楔入點(diǎn)，采用強(qiáng)流脈沖電子束技術(shù)對(duì) AISI 316L 不銹鋼及NiTi合金進(jìn)行表面改性。分別采用各種表面分析手段，力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)，電化學(xué)測(cè)試技術(shù)及血液相容性檢測(cè)技術(shù)研究了改性后兩種合金的表面性質(zhì)、力學(xué)性能、腐蝕防護(hù)性及血液相容性。

2、主要結(jié)論如下： 1、強(qiáng)流脈沖電子束轟擊可以實(shí)現(xiàn)316L不銹鋼表層的選擇性凈化，表面織構(gòu)化及表面快速鈦合金化，從而提高不銹鋼的耐蝕性。具體闡述如下： 強(qiáng)流脈沖電子束轟擊處理可以有效地清除316L不銹鋼表層的夾雜物，從而達(dá)到凈化材料表面的目的。316L不銹鋼中的MnS夾雜物是轟擊過程中材料表面火山坑形成的核心，其自身或界面過熱噴發(fā)是火山坑的成因。隨著轟擊次數(shù)的增加，表層中的MnS夾雜物隨噴發(fā)而逐漸減少，從而實(shí)現(xiàn)了脈沖電子束的

3、表面選擇凈化效應(yīng)。同時(shí)，電子束處理初期的表面缺陷在反復(fù)轟擊過程中得到修復(fù)，即火山坑的密度隨轟擊次數(shù)的增加而逐漸減少，形態(tài)也逐漸由心部有孔轉(zhuǎn)變?yōu)樾牟繜o孔。 電化學(xué)腐蝕測(cè)試結(jié)果表明，電子束轟擊可以有效地改善316L不銹鋼在體外模擬生理環(huán)境 (37±1℃，Tyrode’s 模擬體液)中的耐點(diǎn)蝕能力。其中轟擊次數(shù)對(duì)不銹鋼改性后的腐蝕行為有重要影響： (1)脈沖電子束 5 次轟擊對(duì)不銹鋼的耐蝕性產(chǎn)生了兩方面的影響：表面夾雜物的減少

4、導(dǎo)致界面電容及腐蝕電流密度的降低；但同時(shí)火山坑的中心因殘存MnS夾雜及孔洞而成為孔蝕的敏感位置，導(dǎo)致?lián)羝齐娢唤档?，鈍化區(qū)間變窄。 (2)經(jīng)過20次轟擊的樣品具有最佳的耐蝕性，其腐蝕電流密度降至原始樣品的 1/15左右，極化電阻提高3個(gè)數(shù)量級(jí)。這主要?dú)w因于脈沖電子束對(duì)材料表層的選擇凈化效應(yīng)及反復(fù)重熔對(duì)表面缺陷的修復(fù)。 發(fā)現(xiàn)并分析了強(qiáng)流脈沖電子束轟擊在316L不銹鋼表面誘發(fā)的織構(gòu)化及各向異性形變。經(jīng)電子束處理后的不銹鋼表層形

5、成了垂直于表面的(111)纖維織構(gòu)，并且織構(gòu)的強(qiáng)度隨轟擊次數(shù)的增加而增強(qiáng)；而電子束誘發(fā)的形變呈各向異性，即孿晶總是分布在表面(111)取向接近平行樣品法向(ND)的晶粒內(nèi)，而其他取向的晶粒內(nèi)主要變形機(jī)制為位錯(cuò)滑移；強(qiáng)流脈沖電子束的轟擊在亞表層的晶粒內(nèi)形成了平直的小角晶界，這些小角晶界終止于晶界處，由稠密的位錯(cuò)組成。 采用強(qiáng)流脈沖電子束實(shí)現(xiàn)了316L不銹鋼表面的快速鈦合金化。表面鈦合金層由混合的α相和γ相構(gòu)成，并且α相的含量隨轟擊

6、次數(shù)的增加而提高。在模擬體液中的耐蝕性測(cè)試表明，強(qiáng)流脈沖電子束表面鈦合金化可以有效提高316L不銹鋼的耐蝕性。在本研究中，10 次轟擊后的鈦合金化樣品顯示了最優(yōu)的耐蝕性，這是由于樣品表面元素分布較均勻，殘余應(yīng)力低以及表面鈦含量較高的緣故。 2、強(qiáng)流脈沖電子束的轟擊實(shí)現(xiàn)了Ni(50.6％)Ti合金外表面的選擇性蒸發(fā)，同時(shí)亞表層發(fā)生了馬氏體相變，改性后的耐蝕性提高。具體闡述如下： 在蒸發(fā)處理模式下，電子束輻照在NiTi合金表

7、面產(chǎn)生了波狀起伏形貌，這種特殊形貌特征是在蒸發(fā)模式下形成的。10次轟擊的蒸發(fā)作用較5次轟擊更為顯著，蒸汽中的一些小液滴重新沉積在樣品表面形成小顆粒。由于Ni元素較Ti元素更容易蒸發(fā)，導(dǎo)致處理后表面熔化層Ti含量的相對(duì)提高。通過建立物理模型對(duì)選擇性蒸發(fā)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值符合較好。 在熔化層快速凝固之后，NiTi合金表面形成了細(xì)晶B2奧氏體結(jié)構(gòu)；亞表層則發(fā)生了馬氏體相變，這是由脈沖電子束處理過程中形成的準(zhǔn)靜態(tài)熱應(yīng)力和