医用钛合金切削氧化膜形成机理及其耐腐蚀性研究

研究生物医学钛合金材料表层氧化膜形成对保障被植入人体的健康具有重要的理论意义和应用价值。.以获得理想表层氧化膜为目标，提出一种集成切削加工"成型"与氧化反应生成氧化膜"成性"于一体加工工艺，进行新型生物医学钛合金材料TLM的氧化膜形成研究。揭示切削加工表面层氧化膜产生的机理和条件，研究切削工艺对氧化膜形成的影响因素；通过建立切削热分配和切削温度主动控制模型、研制新型结构刀具、采用富氧气氛等新型工艺，在生物钛合金表面形成10～20μm均匀、致密的氧化膜。.研究结果可丰富切削加工理论，为切削加工改性提供一种新思路；同时可缩短生物钛合金材料的加工工艺链，从而可以获得更高的加工效率并降低加工成本。

钛合金表面二氧化钛薄膜对提高钛植入体耐腐蚀性、生物相容性、抗炎作用及屏蔽离子溶出有较好的效果，利用富氧气氛下加工钛合金生成二氧化钛薄膜可以实现成形和改性一体化工艺。. 基于氧化热力学理论，通过Gibbs-Helmholtz方程及Van’t Hoff方程建立钛合金氧化膜形成模型，分析二氧化钛的形成条件及温度范围，获得形成二氧化钛膜的最佳温度范围在600-900℃。. 基于氧化动力学原理，分析不同氧化温度下钛合金氧化过程中钛、氧离子的运动规律以及钛合金氧化速率的主要控制因素,建立了钛合金氧化速率动力学模型。. 通过大量不同条件下的加工实验，研究氧化膜的形成规律和特征。开发了一套氧气和氩气混气设备，在富氧气氛下进行切削和滚压加工。车削加工表面氧化膜厚度为69nm，车削并滚压加工后表面氧化膜厚度110nm。. 研究了富氧气氛下钛合金加工表面在Hank’s模拟体液中的耐腐蚀性，富氧浓度为55%及80%的车削加工表面在Hank’s模拟体液中的年腐蚀速率比普通加工表面分别下降3.4倍及10.3倍。富氧浓度为80%的滚压加工表面在Hank’s模拟体液中的年腐蚀速率比普通车削加工表面下降14.7倍。. 通过研究成骨细胞的黏附、铺展，增殖、分化、矿化等细胞行为，评价富氧气氛下加工钛合金表面的生物活性。超高速切削加工及滚压加工所形成的微/纳复合结构表面为蛋白质提供了更多的吸附位点，有利于蛋白质的吸附。. 本项目所研究的富氧气氛下切削加工为植入体制备提供了一种新的加工工艺；对于丰富切削加工理论，对缩短植入体加工工艺链及被植入人体的健康具有重要的理论意义和应用价值。