随着全球范围内人口老龄化的加剧,骨质疏松、退行性关节炎等骨科疾病的发病率日益增多,催生了巨大的骨替代修复材料市场。在金属生物材料中,钛合金以其优异的力学性能、高的腐蚀抗力和良好的生物相容性成为目前应用最广泛的骨科植入材料。然而,骨诱导能力的缺乏和潜在的有害离子释放,可能导致钛合金植入体的短期失效,引发健康危害和二次翻修。本课题采用双阴极等离子溅射沉积技术在传统医用钛合金Ti-6Al-4V ELI表面制备β-Ta、Ta₂N和TaN三种纳米晶涂层,研究上述涂层在改善钛合金耐腐蚀性能和生物活性方面的作用,探索其潜在的医学应用价值。继结构分析和力学性能测试之后,采用多种电化学分析技术对涂层在0.9%NaCl、Ringer’s和Hank’s三种模拟生理溶液中的电化学腐蚀行为进行详细深入的研究,同时考察压痕损伤和浸泡时间对涂层腐蚀抗力的影响,并从钝化膜化学成分、致密性和半导体特性三个方面探讨涂层的腐蚀保护机理。此外,采用模拟体液浸泡法对比考察三种涂层与Ti-6Al-4V ELI基体的磷灰石形成能力,并对所生成磷灰石作细致的结构分析表征,探讨涂层表面磷灰石的诱导及生长过程。最后,对三种涂层的抗菌性能及血液相容性作初步的评估测试。主要结论如下:1)采用双阴极等离子溅射沉积技术制备的β-Ta、Ta₂N和TaN涂层致密均匀无缺陷,与基体结合良好,厚度达到25⁴0μm,表面呈特殊的纳米突起形貌;TEM分析显示三种涂层均由尺寸在6³0 nm的等轴状纳米晶粒组成。2)β-Ta、Ta₂N和TaN三种涂层的硬度和弹性模量均明显高于Ti-6Al-4V ELI基体;β-Ta和Ta₂N涂层具有高的断裂韧性和机械损伤耐受性,TaN涂层相对低的断裂韧性使其在9.80 N的压痕载荷下发生开裂,腐蚀抗力严重下降;β-Ta、Ta₂N和TaN三种涂层与基体的结合强度均大于滑动工况应用要求的30 N。3)β-Ta、Ta₂N和TaN三种涂层均显著提高了Ti-6Al-4V ELI在0.9%NaCl、Ringer’s和Hank’s三种生理溶液中的电化学腐蚀抗力。较之Ti-6Al-4V ELI和商用纯Ta表面的钝化膜,三种涂层表面的Ta₂O₅钝化膜具有高的致密性、大的物理厚度、低的施主浓度和小的载流子扩散系数,呈现高的稳定性和阻隔性,赋予涂层极其优异的电化学腐蚀抗力。此外,β-Ta和Ta₂N涂层可对Ti-6Al-4V ELI基体提供长期稳定的腐蚀防护作用,其腐蚀抗力随浸泡时间的延长持续增大,而TaN涂层在Ringer’s溶液中浸泡120 h后腐蚀抗力大幅下降。4)β-Ta、Ta₂N和TaN涂层在模拟体液中浸泡14天后表面生成了完整的含碳酸根的类骨磷灰石层,显示出优良的磷灰石形成能力,显著提高了Ti-6Al-4V ELI基体的体外生物活性。5)β-Ta、Ta₂N和TaN三种涂层具有优异的抗菌性能和良好的血液相容性,有望在血管支架、人工心脏瓣膜等其他医学生物领域得到应用。