基于生物相容性的Ti/ZrO2接头钎焊工艺及连接机理研究

Medical metal-bioceramic components are widely used in the biomedical field. With the increasing requirements for implantable medical devices, biocompatibility has become the key issue limiting the performance of such components. This project takes biocompatibility as the starting point and focuses on the brazing of titanium alloy and ZrO2 bioceramic in implantable devices. Systematic researches emphasizing on the design and optimization of intermediate layer, joint structure evolution and joint mechanism, and factors affecting joint biocompatibility will be conducted to clarify the relationship of "joining material - brazing process - joint structure - joint performance - joint biocompatibility". The project aims to develop a biocompatible joining system, propose intermediate layer design guidelines and joint preparation methods, establish a control roadmap for joint biocompatibility, and achieve high quality connection between titanium alloy and ZrO2 bioceramic with reliable performance, shedding lights on the manufacture biocompatible medical metal-bioceramic hybrid components.

医用金属-生物陶瓷部件在生物医疗领域有着广泛应用，随着医疗器件可植入要求的日益提高，生物相容性成为这类部件应用的关键问题。本项目以生物相容性为切入点，针对可植入器件中钛合金和ZrO2生物陶瓷的钎焊连接，在钎料体系设计与优化、接头组织演化及连接机理、接头生物相容性影响因素及评价等方面展开系统研究，阐明“连接材料-钎焊工艺-接头组织-接头力学性能-接头生物相容性”的对应规律。本项目旨在开发具有生物相容性的连接体系，提出钎料体系设计准则和接头制备方法，建立接头生物相容性的影响控制路线图，实现钛合金和ZrO2生物陶瓷高质量连接，为获得优异生物相容性的医用金属-生物陶瓷封接部件提供新的思路。

本项目以医用可植入器件中金属和陶瓷异种材料的封接为应用导向，开发了一系列具有生物相容性的钎料体系，如纯Au箔、AuSn/SnTi钎料体系、SnZr钎料体系、AuSn/SnZr钎料体系，分析了钎料成分对钎料熔化及反应特性的影响，分析了钎料在ZrO2陶瓷的润湿铺展行为；并采用以上钎料体系均实现了Ti合金与ZrO2陶瓷的高质量钎焊连接，其接头最高强度分别为35.0MPa、48.6MPa、25.6MPa和48.0MPa。明确了各钎料体系获得接头的界面反应产物与典型界面组织，揭示了各钎料体系所获接头的界面反应热力学和动力学规律；通过调节工艺参数调控了界面反应产物类型及分布，建立了接头组织演变模型，优化了接头连接质量；阐明了金属/陶瓷界面反应模型和接头断裂模式，揭示其连接机理；通过对接头在模拟体液中的耐腐蚀性和生物相容性，对接头服役性能进行综合评价，阐明了“连接体系成分-连接工艺-组织结构-接头力学性能-接头综合性能”的对应规律，获得了Ti/ZrO2接头高质量钎焊连接的控制因素。针对本项目中采用的一系列具有生物相容性的钎料体系，相对于采用Au 作为钎料进行钎焊，采用Sn基活性钎料首先对ZrO2陶瓷进行金属化，然后采用AuSn20作为钎料实现Ti与ZrO2连接的钎焊连接方法，后者钎料体系熔点较低，所需钎焊温度更低，所获接头剪切强度更高，但是更容易发生腐蚀。为异种材料连接技术在可植入金属-陶瓷连接领域的应用提供技术及理论储备。本项目顺利完成了研究计划中的各项研究内容，达到了预期的研究目标，培养博士生2名，硕士生6名。截至目前，针对本项目已取得的一系列研究成果，共发表期刊论文7篇，其中SCI论文检索6篇，申请国家发明专利4项。