提升医用钛合金机械性能的表面处理方法

提升医用钛合金机械性能的表面处理方法

刘熠杰

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摘要：医用钛合金被应用在人体中，对其相关的表面性能有着特殊要求。本文介绍了可提升医用钛合金的耐磨性和疲劳强度等机械性能的几种表面处理方法。

关键词：医用钛合金；机械性能；表面处理

引言

    钛合金因其密度小、比强度高及生物相容性好等优点被广泛应用于生物医疗领域。作为主流的生物医用材料之一，医用钛合金假体如人造骨骼、人造关节和人造牙齿等在临床上被用于置换人体坏死或缺失的关节或部位，对人体正常生理活动的进行和人体健康起着重要作用。医用钛合金植入人体后，人体内复杂的生理环境和持续的生理活动对钛合金的综合机械性能如表面硬度、耐磨性、疲劳强度等提出了较高的要求。

表面处理对材料的综合机械性能的提高效果显著。表面织构化技术、表面镀膜技术、激光强化技术、空化水射流技术、超声强化技术等已经被大量应用于钛合金的表面处理。

1 提高耐磨性的表面处理方法

钛合金的硬度相对较低，耐磨性能较差。医用钛合金植入人体后，在各种生理活动和外力作用下，不可避免地会产生摩擦磨损，长期的摩擦磨损会使人体产生不良反应，也会缩短医用钛合金在人体内的服役寿命。因此，对医用钛合金进行表面处理以提高其耐磨性是尤为必要的。

    采用表面织构化技术和表面镀膜技术对钛合金表面进行处理，能够有效提高其耐磨性。

1.1 表面织构化技术

表面织构化技术是近些年来研究人员研究的热点。表面织构化是指通过特定的加工方法在金属表面加工出微凸体或微凹体等规则的几何形貌，以获得特殊的表面性能。相关研究表明[1]，表面织构化能够提升材料表面的耐磨性。

表面织构减摩抗磨效果与其使用工况等有着直接关系。根据材料的使用情况，通过改变织构的几何形状、尺寸、密度与加工精度等参数，可获得较好的减摩抗磨性能。

目前，表面织构化处理方法主要有压刻加工、激光加工、离子刻蚀、电解加工和机械加工等方法。其中，激光加工是表面织构化处理方法中应用较为广泛的技术。

1.2 表面薄膜技术

    表面薄膜技术是采用物理或化学方法在钛合金表面沉积一层薄膜，从而提高其表面耐磨性。表面薄膜技术常用方法主要有物理气相沉积、化学气相沉积等。

物理气相沉积是指在真空环境下，通过物理方法将固态或液态材料气化成气体分子、原子或电离成离子，再经过气相过程，在基体表面沉积一层特殊功能薄膜的技术。物理气相沉积方法主要有溅射镀膜、电弧离子镀和真空蒸镀等。

采用物理气相沉积技术沉积的膜层与基体材料间的结合力强，且膜层均匀致密。此外，物理气相沉积技术还具备绿色无污染、材料损耗率低、工艺过程简单等优点。该技术已被广泛应用于机械制造、材料改性、电子科学、航空航天等重要领域。

化学气相沉积是利用气态物质间发生反应生成固态物质沉积在加热的基体材料，从而生成薄膜的方法。化学气相沉积的成膜方法大致可分为三步：1.反应物以气态形式进入到反应室内；2通过加热或电离成等离子体等方式将反应物激活；2.被激活的反应物在基体材料的表面发生化学反应，沉积成薄膜。

与物理气相沉积相比，化学气相沉积技术成膜速率更高、更易涂覆孔洞和深凹槽等优点，且通常不需要超高真空。但其同样有些明显的缺点，比如反应通常要在高温下进行，而很多基体材料都不是热稳定的；化学气相沉积产生的有毒或腐蚀性副产物，处理成本较高，处理过程中的安全问题也不容忽视。

    表面镀膜技术是较常用的提升材料耐磨性的技术。在钛金属表面镀膜(如氮化钛薄膜)可显著增强其耐磨性。对于医用钛合金而言，根据其使用要求，选择合适的表面镀膜方法，对其耐磨性的增强有积极意义。

2 提高疲劳强度的表面处理方法

医用钛合金假体植入人体后，会受到复杂的交变应力的作用，这种作用是长期性的，为避免出现钛合金假体出现疲劳失效的情况，需增强钛合金的疲劳强度。激光强化、空化水射流和超声冲击强化均可有效增强医用钛合金的疲劳强度。

2.1 激光强化技术

激光表面强化技术属于新兴表面强化技术之一。激光表面强化的原理为：使用高能激光束照射材料表面，材料将激光的能量吸收转化为热能，材料表层受热后温度升高，因能量在很小的区域能聚集，使材料表层在极短时间(10-1-10-7S)内升至高温，从而发生固态相变、熔化甚至蒸发，当激光束停止照射或者移开时，材料表面迅速冷却，从而实现了表面强化的目的。

激光表面强化具有如下优点：①激光能量高，加热和冷却速度极快，工艺周期短，生产效率高；②激光强化层组织均匀可控，经强化后的表面硬度、疲劳强度等均大幅度提高，且激光强化后的表面光洁度好；③激光强化的能量集中，热影响区小，工件变形小。

医用钛合金假体对其表面质量和精密度要求较高，而激光表面强化的诸多优势使其成为提升医用钛合金疲劳强度的理想表面强化手段之一。

2.2 空化水射流技术

空化是指当液体的部分区域压强降低至其饱和蒸气压以下时，液体对气体的溶解度下降，溶于液体中的气泡膨胀、收缩和溃灭的过程。空化气泡溃灭时，会产生高温高压

[2–3]。

空化水射流是一种利用水射流中产生的空化气泡以及气泡溃灭时产生的冲击力对材料表面进行冲击改性的技术。空化水射流的原理为：高速水射流空化喷嘴喷出后，产生大量的空化气泡，空化气泡随着高速射流方向运动并继续孕育，当空化气泡运动到高压区域时，会发生溃灭，溃灭产生的高压冲击波冲击材料表面，从而在材料表层形成残余压应力层，提升其疲劳强度。

与喷丸等传统表面强化手段相比，使用空化水射流对医用钛合金进行冲击强化，具有一些独特的优势。例如空化水射流产生的空化气泡，其直径一般在几百微米以下，显著小于喷丸所用的丸粒的直径，这使得空化水射流能够处理医用钛合金上一些狭小复杂的部位，而传统喷丸却难以做到；相较于传统喷丸对材料表面的强力冲击，空化水射流的空化气泡溃灭时对材料表面的冲击力度较小，在对医用钛合金表面进行强化的同时，可保证其表面有较好的完整性，这对于医用钛合金而言是尤为重要的；此外，空化水射流的介质为水，绿色无污染，且可循环利用。

2.3 超声冲击强化技术

    近年来，国内对超声冲击强化技术的研究越来越多，该项技术已经在材料改性领域有了不少应用。超声冲击强化的机理是用超声波驱动冲击头对材料表面进行高频机械冲击，以达到表面强化的目的。超声冲击强化技术是一种机械冷处理技术，几乎不改变材料的合金元素成分[4] ，仅在材料表面引入残余压应力，增强材料的硬度、疲劳强度和耐磨性等。

使用超声冲击强化技术对医用钛合金表面进行强化是行之有效的方法，可作为研究者重点研究的课题。

3 总结与展望

以上介绍了提高医用钛合金耐磨性和疲劳强度的前沿的表面处理方法，包括表面织构化、表面镀膜、激光强化、空化水射流以及超声强化等，可供相关研究作为参考。值得注意的是，每种表面处理方法对表面性能的提升可能不是单一的，如激光加工技术在增强材料疲劳强度的同时，也可增强其硬度和耐磨性。研究者需要根据实际情况确定哪些方面的性能是主要的、哪些方面的性能是次要的，再根据需求选择合理的表面处理方法，才能得到较好的处理效果。未来，随着新技术、新工艺的不断出现和发展，对增强医用钛合金的机械性能的研究一定会取得更大的突破。

[1] 韩志武, 任露泉, 刘祖斌. 激光织构仿生非光滑表面抗磨性能研究[J]. 摩擦学学报, 2004,24(4):289-293。

[2] SOYAMA H. Cavitation peening: Areview[J]. Metals, 2020, 10(2): 270.

[3] 李富柱, 范海洋, 陈智鹏, 等. 空泡溃灭加工制造最新研究进展[J]. 现代制造工程, 2019(10): 153–160, 152.

[4]Wang Z Q．Microstructure and flame-retardant properties ofTi-Cu coating on TC11 prepared via electrospark deposition[M].Material Engineering and Mechanical Engineering：Proceedings of Material Engineering and Mechanical Engineering，2015．