实验用Ti-13Nb-13Zr合金铸锭质量为50 g,厚度为8 mm,经非自耗真空电弧炉多次熔炼而成。铸锭经900 ℃×30 min/WC固溶处理后在(α+β)两相区(680 ℃)分别进行冷轧(CR)和热轧(HR),得到厚度为6 mm的板材,接下来对Ti-13Nb-13Zr合金热轧板进行760 ℃×60 min/WC固溶处理。Ti-6Al-4V ELI合金由德国Krupp VDM GmbH公司提供,为Φ38 mm的棒材,且在氩气气氛中经1 000 ℃×60 min/WC固溶处理。对冷轧板材试样以及经热处理后的试样分别进行扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)以及EIS等电化学测试。其中,电化学测试的电解液为Ringer’s溶液(6.5 g/L NaCl,0.14 g/L KCl,0.12 g/L CaCl2,0.2 g/L NaHCO3,0.4 g/L 葡萄糖),工作电极工作面积为1 cm2,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为铂电极。
实验结果表明,温度为25 ℃时,Ti-13Nb-13Zr合金和Ti-6Al-4V ELI合金在Ringer’s溶液中的电流密度均大约为10-6~10-8 A/cm2,其表面均生成了具有良好抗腐蚀性能的氧化膜,并且经1 000 ℃×60 min/WC固溶处理的Ti-6Al-4V ELI合金的抗腐蚀性能依次优于冷轧Ti-13Nb-13Zr合金板材和经760 ℃×60 min/WC固溶处理的热轧Ti-13Nb-13Zr合金板材。这主要是由于Ti-6Al-4V ELI合金表面会迅速生成富含Al2O3以及V2O5的均匀的TiO2氧化薄膜,并且稳定性能优于Ti-13Nb-13Zr合金表面生成的氧化膜。此外,研究发现,Ti-13Nb-13Zr合金的抗腐蚀性能与其表面氧化膜的厚度和Nb2O5的含量密切相关,而氧化膜的厚度和Nb2O5的含量则取决于合金的状态,冷轧Ti-13Nb-13Zr合金板材表面氧化膜的厚度及Nb2O5的含量均高于热轧Ti-13Nb-13Zr合金板材。电化学交流阻抗分析表明,Ti-13Nb-13Zr合金和Ti-6Al-4V ELI合金表面的氧化膜均由致密的内层膜和多孔的外层膜组成,均符合双电层理论模型。
总之,与植入物用Ti-6Al-4V ELI合金相比,Ti-13Nb-13Zr合金的杨氏模量与人体骨骼的杨氏模量更为接近,且不含有V、Al等有毒元素,生物相容性更为优异,但是其在人体体液中的抗腐蚀能力要劣于Ti-6Al-4V ELI合金。而本研究为改善Ti-13Nb-13Zr合金的抗腐蚀性能提供了有利的依据和方向,合金表面氧化膜的厚度、Nb2O5的含量均会对Ti-13Nb-13Zr合金的抗腐蚀性能产生影响,通过采取适宜的热加工方式可有效增强Ti-13Nb-13Zr合金的抗腐蚀性能。