激光选区熔化成形Ti-TiN复合材料在不同介质中腐蚀行为研究

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近年来,激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)制备的Ti-TiN复合材料由于其高强度和耐磨性而成为生物医学应用的合适候选材料。即便如此,仍然不清楚作为生物医学材料的Ti-TiN复合材料的使用寿命是否可以在特殊的环境(例如人体体液或其他溶液介质)中与原始CP-Ti相比显著延长。随着人们对这一紧急问题的日益关注,本文以CP-Ti作为对比样品,首先研究了Ti-5TiN(5 wt.%TiN)复合材料在模拟体液(Hank溶液)中的腐蚀行为,其次研究了Ti-5TiN复合材料在0.5 mol/L HCl溶液中的腐蚀行为。前面的研究,已经证实SLM制备的Ti-TiN复合材料耐蚀性优于CP-Ti。但是,对于Ti-TiN复合材料来说,随着TiN含量的增加,复合材料的耐蚀性如何变化,TiN颗粒在腐蚀过程中扮演怎样的角色,这值得我们去探索。因此,本文研究了不同TiN含量增强Ti基复合材料在不同腐蚀介质中的腐蚀行为。主要结论如下:(1)Ti-TiN复合材料中TiN颗粒与钛基体界面结合良好,并均匀分布于钛基体内。由hcp-Ti相组成的CP-Ti和hcp-Ti与δ-TiN相组成的Ti-TiN均为针状马氏体(α’)结构。(2)在Hank溶液中,Ti-5TiN复合材料的耐蚀性优于CP-Ti,这是因为TiN颗粒作为微阴极均匀分布在钛基体中,加速了钛基体早期阳极溶解,使Ti-5TiN复合材料优先进入钝化状态。(3)在0.5 mol/L HCl溶液中,与CP-Ti相比,Ti-5TiN复合材料具有较小的钝化电流密度和腐蚀电流密度。随着浸泡时间延长至15天,Ti-5TiN复合材料由点蚀发展为均匀腐蚀,而CP-Ti由点蚀发展为大的腐蚀坑。(4)在0.5 mol/L HCl/H2SO4溶液中,Ti-TiN复合材料的耐蚀性随着TiN含量的增加而提高。TiN颗粒对钛基体的细化晶粒效应以及在腐蚀过程中起到加速早期钝化的作用,TiN颗粒边缘区域的合金化反应层的优先腐蚀对钛基体和未熔化的TiN颗粒内部产生“腐蚀阴影”保护作用,随着TiN含量的增加,晶粒细化的效果越明显,导致更优异的耐蚀性。总而言之,激光选区熔化成形Ti-TiN复合材料的耐蚀性优于CP-Ti,并且随着TiN含量的增加,耐蚀性提高。因此,Ti-TiN复合材料不仅硬度高,耐磨性好,而且耐蚀性优异,使得它在生物医疗领域有着广阔的应用场景。
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