钛合金表面微孔陶瓷化及其生物摩擦学行为研究

钛合金是一种非常有前途的生物医学材料，具有优异的耐蚀性、良好的生物相容性、较高的机械强度和较好的加工性能，唯一的不足是摩擦磨损性能太差。本项目采用表面渗碳工艺对钛合金进行表面改性，拟在钛合金表面制备碳化钛微孔陶瓷，并研究其生物摩擦学性能。本项目将从热力学和动力学的角度研究钛合金的渗碳机理并建立渗碳扩散模型，优化钛合金渗碳工艺参数，并建立微孔尺寸和渗碳工艺参数的关系，最终在钛合金表面制备出碳化钛微孔陶瓷。同时，本项目将通过研究在牛血清、生理盐水、人血浆润滑条件下微孔尺寸对摩擦系数、磨屑尺寸及分布、润滑等的影响，结合髋关节模拟试验结果研究微孔陶瓷的生物摩擦学行为，最终建立微孔的润滑模型。

本项目采用分级渗碳技术对Ti6Al4V合金进行表面高温渗碳，制备钛合金微孔陶瓷，并成功制备出了钛合金微孔陶瓷人工髋关节球头。通过材料热力学和动力学分析研究微孔陶瓷的制备工艺，充分理解钛合金渗碳的分级扩散机理，提出了钛合金微孔陶瓷生长模型。本项目通过对钛合金微孔陶瓷的表面成分、结构、表面形貌、硬度、断裂韧性、摩擦系数、磨损率、磨粒等进行了测试研究，评价钛合金微孔陶瓷表面的微观结构、表面力学性能、微动摩擦学性能和生物摩擦学性能，并采用有限元软件对微孔陶瓷的力学性能进行了模拟。研究结果表明，采用分级渗碳技术可以在医用钛合金进行表面渗碳制备微孔陶瓷，微孔陶瓷层厚度达到250 μm，主要包括微孔碳化钛陶瓷层和扩散层。通过对微孔陶瓷表面进行X衍射和XPS成分分析发现，在钛合金表面生成了纯净致密的面心立方结构的碳化钛陶瓷，微孔陶瓷中并没有氢化物的存在，不存在氢脆问题。而XPS能谱分析都表明在钛合金微孔陶瓷中碳原子呈浓度梯度分布，而表面形貌分析则进一步证实，微孔陶瓷表面的碳化钛在渗碳过程中取向的无序度增加，部分碳化钛会堆垛在一起，形成了较为复杂的微孔结构。微孔陶瓷表面的TiC陶瓷和其复杂的微孔结构极大地提高了钛合金的表面硬度，微孔陶瓷表面维氏硬度高达778 HV，是钛合金的2.3倍。同时，微孔陶瓷保留金属良好的塑性，远高于一般陶瓷的断裂韧性，充分说明微孔陶瓷兼顾了金属和陶瓷的性能。人工髋关节磨损模拟试验表明，微孔陶瓷显著提高了关节球头的耐磨性并且降低了UHMWPE关节臼的磨损，同时微孔陶瓷有效地控制了UHMWPE磨屑的分布，提高了UHMWPE磨屑的尺寸，这可降低由磨屑引起的细胞毒性反应。