面向生物医用的钛合金/超高分子量聚乙烯搅拌摩擦焊接及其连接机制研究

TC4 Titanium alloy and ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) are widely used biomedical materials. In the manufacturing of artificial joints, high-quality joining between TC4 and UHMWPE has been a critical problem. Metals and polymers are conventionally joined by mechanical fastening and adhesive bonding. However, these two welding methods have the problem of fretting and causing safety risk due to biocompatibility problem, respectively. The welding between metals and polymer materials and the bonding mechanisms have been drawing a lot research attention recently in the field. Friction stir welding (FSW) has the advantages of low welding temperature and the controllable thermodynamic conditions. In the present study, the TC4/UHMWPE FSW technique will be developed. Based on the study on thermodynamic condition evolution at TC4/UHMWPE interface during welding and through the design and control of the surface microstructure of TC4 and the surface activity of UHMWPE, high-quality joints can be achieved by FSW. The bonding mechanisms and their effects on the mechanical properties of the joints will be further studied. This research will provide solid fundamentals for further optimizing the process of TC4/UHMWPE FSW and the future application of TC4/UHMWPE FSW joints. In addition to fulfil the urgent need of high-quality TC4/UHMWPE welds in the biomedical application, this study will also contribute to the development of FSW and other welding methods in welding metals and polymers together.

TC4钛合金与超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是常用的生物医用材料。在人工关节假体的应用中，两者的高质量连接是一个迫切需要解决的难题。机械连接和粘结是连接金属和高分子材料的传统方法，但在生物医用中分别存在微扰而影响骨整合的问题和破坏生物相容性的安全风险。而金属和高分子这两大类材料间的焊接技术和连接机制本身也是目前研究人员非常关注的技术难点和科学问题。搅拌摩擦焊接（FSW）技术具有焊接温度低和热力条件可控等优势。本项目使用FSW搭接方法，通过对焊接热力条件变化规律及其工艺调控方法的研究，以及对TC4表面组织结构、UHMWPE表面活性和微观结构的设计与调控，有望实现高质量的TC4/UHMWPE间焊接。并进一步解析FSW中TC4/UHMWPE的连接机制及其对接头力学性能的影响。这些研究将为TC4/UHMWPE间FSW工艺优化提供科学指导，解决生物医用中对TC4/UHMWPE间高质量焊接的需求。

在人工植入关节假体中，TC4钛合金作为结构主体提供假体的强度；超高分子量聚乙烯（UHMWPE）作为关节窝材料，保证关节的耐磨性，二者的结合类似人体内骨骼和软组织的配合，可以在人体内长期服役。人工关节假体中TC4与UHMWPE的广泛使用对两者的连接提出了需求。但由于UHMWPE是非极性高分子，二者的高性能连接成为一个需要迫切解决的技术难点。. 团队创新性地使用3D打印多孔钛合金与UHMWPE进行摩擦点焊（FSpJ），大幅度提升接头的力学性能。经过四年的研究，团队对3D打印多孔钛合金和UHMWPE的FSpJ进行了探索和优化，现已基本实现多孔TC4与UHMWPE的稳定、高质量连接。本项目还通过对焊接过程温度和压力演变规律的研究，发现并量化了TC4和UHMWPE连接过程的压力-界面温度-连接质量的耦合关系，并基于此优化了连接工艺，为发展金属与非极性高分子材料的连接技术提供了理论指导。此外，通过对接头横截面宏观以及微观组织结构表征，阐明了TC4和UHMWPE的宏观与微观连接机制：宏观/微观机械咬合为主、微区可能存在的化学键合、分子间作用力等多方面因素共同作用；同时，揭示了接头中各种缺陷的形成机制，提出了缺陷的有效控制方法：宏观缺陷表现为填充不足，与温度线性相关，可通过提高焊接温度来缓解，但不能超过380℃，否则会产生另一种宏观缺陷，即降解气泡；微观缺陷表现为连续的界面裂痕(5-50μm)。实验结合数值模拟验证了其是由于高分子收缩引起的。可通过提高聚合物的流动性，促进金属与高分子连接来避免。这些研究将为TC4/UHMWPE间FSW工艺优化提供科学指导，同样也可为其他金属/高分子间的FSW、甚至其他金属/高分子材料焊接技术等相似领域的发展提供方法指引和理论指导。. 基于研究结果，已初步研发出新一代金属高分子一体式颞下颌关节假体，接头强度超过3300N，1500万次疲劳仍未失效，远超国际同类产品TMJ Concepts的1725N，1000万次疲劳寿命；高分子填充率接近100%，微观界面结合良好。通过九院伦理委员会的临床试验审批之后，截至目前已成功实现了十九例临床植入试验，患者术后情况良好，无不良反应。