医用钛的腐蚀性能综合分析
钛金属作为重要的功能材料，以其密度小、比强度高和耐蚀性好等优点，被广泛应用于航空航天、能源工业、医学用品等领域。医用钛及钛合金的发展历程大致分为3个时期：第一时期以纯钛和Ti-6AI-4V为代表；第二时期为α+β型合金，以Ti-5A1-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb为代表；第三时期以研制生物性能更好、弹性模量更低的β型钛合金为主要防线。新的钛合金材料的应用将是目前主流医疗器械发展的方向。
关于医用钛合金材料的研究在我国开始于20世纪70年代，西北有色金属研究院研制出Ti-2.5Al-2.5Mo-2.5Zr(TAMZ)，在90年代又相继开发出具有自主知识产权的Ti-6Al-4V、Ti-Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb材料。中国科学院也开发出新型β钛合金Ti-24Nb-4Zr-7.6Sn。我国目前的钛合金发展以突破性的新材料和钛合金材料的积极应用为主要方向。
钛是热力学上的不稳定金属，致钝电位较负，标准电极电位为-1.63V。因此，在大气和水溶液中易形成一层具有钝化性质的氧化膜，耐腐蚀性较好。研究医用材料的耐蚀性能相当重要。一方面，植入材料的部分金属离子或腐蚀产物渗入生物体组织，可引发不同程度的生理反应；另一方面，由于体液的存在，某些材料的性能可能会严重下降，致使其迅速损坏甚至失效。人体环境相对复杂，更容易造成微量元素的溶解，改变氧化层的稳定性。轻微的摩擦可使钛表面形成的钝化膜遭受不同程度的破坏，如在贫氧的环境中，氧化层的稳定性减弱，受到破坏时不能立即修复或形成新的氧化层，更易引起腐蚀。而这种情况在人体的反复运动和器械配合使用中几乎无法避免。塑性变形会改变材料的组织状态，进而使材料的腐蚀性能受到影响。不同程度的塑性变形对材料的腐蚀性能影响差异较大。在塑性变形过程中，由于内部应力的集中致使界面和晶粒中产生缺陷，因此，塑性变形会弱化材料的耐腐蚀能力。钛是IVB族过渡元素，化学性质较活泼，与氧有很大的亲合力。在任何含氧介质中，钛的表面容易生成一层致密的钝化膜，这层钝化膜极薄，其厚度通常为几纳米至几十纳米。钛合金钝化膜的存在致使表面活性溶解的面积减少，溶解速率减慢，从而抵制了溶解造成的损害。另外，钝化膜也能够自动修复，当受到破坏时，能迅速地形成新的保护膜。因此，钛的耐蚀性能良好。植入生物体的金属钛，腐蚀形式可分为孔蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀以及磨损腐蚀等。应力腐蚀是指拉应力和腐蚀同时作用时使金属产生破裂的现象。大致过程为：拉应力的作用使金属表面生成的保护膜开始破裂，形成点蚀或缝隙腐蚀的裂纹源，向纵深发展，同时拉应力的作用可以使保护膜反复破裂，形成与拉应力垂直方向的裂缝，甚至导致断裂。钛合金发生SCC（应力腐蚀开裂）是环境、应力和材料三个因素共同作用的结果。SCC具有高度的选择性，只要改变上述三个因素中的任何一个，SCC就不会发生。• 介质：钛合金可能在许多水溶液、蒸馏水、有机溶液和热盐等多种介质作用下发生SCC。在不同介质中SCC机制不一样。• pH值：pH值对钛合金SCC的影响还有相当大的分歧。一般情况下，随着pH值增大，钛合金的SCC敏感性减小，当pH值为13-14时，往往可抑制SCC。但在发生SCC变化的局部裂纹前段甚至可以形成pH值2-3的强腐蚀环境。• 电位：电位对SCC程度的影响是至关重要的。合金与介质组成的腐蚀体系不同，其SCC敏感电位就不同。• 温度：温度是影响钛合金产生SCC的重要因素之一。一般而言，温度升高，SCC敏感性增大。但在人体植入的材料对温度的敏感性有限。• Cl离子浓度：溶液中的Cl-浓度越高，其SCC敏感性越大。合金在冷加工、锻造、焊接、热处理或装配过程中产生的残余应力所造成的SCC事故占整个SCC事故的40%。此外，工作时产生的外应力或由于腐蚀产物的体积效应而造成的外应力，也可能导致SCC的发生。综上所述，医用钛的腐蚀性能是其作为植入材料时必须考虑的关键因素。通过深入了解钛的腐蚀机理及其在不同环境下的表现，可以为医用钛合金材料的选择和设计提供科学依据，从而确保其在实际应用中的安全性和可靠性。
