简介概要

一种生物医用近β钛合金的力学性能和腐蚀性能研究

来源期刊：稀有金属2005年第2期

论文作者：罗丽娟周廉于振涛

关键词：近β钛合金; 力学性能; 腐蚀性能; 显微组织; 血管内支架;

摘要：针对目前临床介入治疗中对血管内支架用材的要求, 采用自主研制的新型近β医用钛合金TLE, 研究了该合金的力学性能和腐蚀性能.测试了合金的室温和高温拉伸力学性能, 利用光学显微镜观察金相组织、扫描电子显微镜观察断口形貌.结果表明, 与临床上使用的316L不锈钢、钛镍合金相比较, 新型近β钛合金TLE具有与316L不锈钢相当的强度和良好的冷热成形能力.分析合金在Ringer′s生理盐液中的电化学腐蚀极化曲线发现: 各种状态的TLE合金均具有比316L不锈钢、钛镍合金更好的耐腐蚀性能.

稀有金属 2005,(02),254-256 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2005.02.030

一种生物医用近β钛合金的力学性能和腐蚀性能研究

于振涛周廉

摘要：

针对目前临床介入治疗中对血管内支架用材的要求 , 采用自主研制的新型近 β医用钛合金TLE , 研究了该合金的力学性能和腐蚀性能。测试了合金的室温和高温拉伸力学性能 , 利用光学显微镜观察金相组织、扫描电子显微镜观察断口形貌。结果表明 , 与临床上使用的3 16L不锈钢、钛镍合金相比较 , 新型近β钛合金TLE具有与 3 16L不锈钢相当的强度和良好的冷热成形能力。分析合金在Ringer′s生理盐液中的电化学腐蚀极化曲线发现 :各种状态的TLE合金均具有比 3 16L不锈钢、钛镍合金更好的耐腐蚀性能。

关键词：

近β钛合金;力学性能;腐蚀性能;显微组织;血管内支架;

中图分类号： TG113.3

收稿日期：2004-11-30

基金：西安市重大技术创新工程资助项目 (GG0 40 0 7);

Mechanical and Corrosion Properties of Near β Biomedical Titanium Alloy

Abstract：

Aiming at the requirement of Endovascular Stent in clinic, a near β biomedical titanium alloy TLE was developed and its mechanical and corrosion properties were studied. Tensile properties of the alloy at room and high temperature were tested. Microstructure and fracture appearance were observed by optical microscope and scan electron microscope respectively. It proved that TLE had the same strength level as 316LSS, good cold and hot deformability. Polarization curves of TLE, 316LSS and TiNi in Ringer′s solution show that TLE has the best corrosion-resistance.

Keyword：

near β; titanium alloy; mechanical property; corrosion property; microstructure; endovascular stent;

Received： 2004-11-30

钛及钛合金是目前公认的具有良好生物相容性的生物医用金属材料, 其不透X射线、无磁性的特点在介入治疗方面较有优势。在介入治疗领域, 目前临床所用主要为316L不锈钢、钛镍合金等制成的金属血管内支架。尽管钛镍合金支架有可贵的形状记忆效应和不锈钢支架所不具备的偏置式强度变化特性 ^[1] , 但难于加工成薄壁管材, 镍的细胞毒性也日益引起重视。

钛合金中的近β合金在淬火状态有良好塑性和不高的强度, 便于进行压力加工; 淬火后时效处理, 合金强度显著提高 ^[2] 。近β钛合金的这些特点使其易于加工, 经适当热处理后还具有较高强度。因此从生物相容性、加工成形和力学性能等方面来讲, 近β钛合金可满足血管内支架临床用材的基本要求。

本文针对西北有色金属研究院自主开发的添加铌、钼、锆、锡β稳定元素的新型生物医用近β钛合金TLE ^[3] , 研究了该合金的力学性能和耐腐蚀性能, 并与316L不锈钢、 TiNi合金加以对比。探讨了TLE合金应用于血管内支架的可行性。

1 材料与试验方法

试验所用TLE合金按名义成分配料、压制电极, 经两次真空自耗电弧炉熔炼制备出铸锭, 再经开坯锻造、二次锻造后, 轧制成Φ 7.5 mm棒材。对比试样316L不锈钢、 TiNi (Ti-50.7at%Ni) 均从采购的棒材上截取。

按GB6397加工拉伸试样, 在型号为ZWICK/Z150型的电子拉伸机上测试试样的拉伸力学性能。在PMG3金相显微镜观察金相组织, 在JEOL JSM-6460的扫描电子显微镜 (SEM) 上观察拉伸试样的断口形貌。

电化学腐蚀试验采用直径6.4 mm, 厚度2.5 mm的圆片试样, 试样暴露面积为32 mm²。试样经碳化硅砂纸打磨、蒸馏水冲洗、丙酮脱脂、干燥后使用。试验的主要仪器为: CP-5型恒电位/恒电流仪、 K-47型玻璃电解池及工作电极、 S-648型电热恒温水浴箱。测试环境: 将盛有1000 ml Ringer′s生理盐液的K-47型玻璃电解池置入 (37±1) ℃恒温水箱中。 Ringer′s生理盐液成分见表1, 电解质未经除气。

2 结果与分析

2.1 显微组织 TLE合金经过β相区热轧及热处理的后的金相组织如图1所示, TLE合金经过β

表1 林格式生理盐液的成分Table 1 Constitution of Ringer′s solution

NaCl	NaHCO₃	CaCl₂·6H₂O	KCl	H₂O
9.00 g	0.20 g	0.25 g	0.40 g	1000 ml

相区热轧后 (图1 (a) ) , 原始β晶粒充分破碎, 随着轧制期间和轧制后温度的降低, 从原始β相的晶界上形成了初生α相。 TLE合金经过β相区固溶后水淬处理 (图1 (b) ) , 亚稳定β相转变为针状马氏体, 这种马氏体对合金的性能起到了一定的软化作用, 使得水淬后合金的强度最低。合金经过β相区固溶后空冷处理 (图1 (c) ) , 组织内部主要是亚稳定β相和少量α相, 再经过610 ℃时效后 (图1 (d) ) , 亚稳定β相分解为细小的α_s, 而且α_s趋向于球形化。大量析出的细小α_s相质点引起的弥散强化和细晶强化效应, 提高了合金强度 ^[4,5] 。

2.2 室温拉伸力学性能 TLE合金与316L不锈钢及TiNi合金的室温拉伸力学性能见表2, 测试

表2 TLE与316LSS, TiNi室温拉伸力学性能Table 2Tensile properties of TLE, 316LSS and TiNi alloys at RT

序号	材料	σ_b/MPa	σ_0.2/MPa	δ₅/%	Ψ/%	E/GPa
1	TLE (热轧态)	690	340	19	81	54.4
2	TLE (固溶, 水冷)	605	185	34	86	44.2
3	TLE (固溶, 空冷)	635	335	39	74	66.7
4	TLE (固溶时效)	665	315	30	63	63.4
5	316L SS	680	370	64.5	70	180
6	TiNi (热轧态)	915	640	12.0	20	107