医用泡沫钛合金的疲劳裂纹生长行为研究

 　　与致密金属多孔金属相比，泡沫钛合金孔隙率可调，强度、刚度等与植入部位的骨骼更加匹配，可以减少“应力屏蔽”现象，因而近年来在医用方面引起了广泛的关注。剧烈的运动会使人体承力的骨和关节（如髋、膝关节等）产生断裂或微裂纹，这往往由疲劳载荷导致。泡沫钛合金作为承力的骨替换植入材料在医用方面有很大的应用前景，对其疲劳断裂行为的研究就显得尤为必要。澳大利亚迪肯大学Kashef等人对开孔泡沫钛合金的疲劳裂纹扩展行为进行了研究。实验原料为平均粒径45 μm、纯度99.9%的纯钛粉。以NH4HCO3为造孔剂。钛粉与造孔剂混合后进行冷等静压成形，脱造孔剂后，加热至1 120 ℃保温7 h制备成60％开孔泡沫钛合金。为了更好地比较分析泡沫钛合金的疲劳行为，采用简单局部加热的方法制备了一组有致密涂层（厚度为0.5 mm）的泡沫钛合金试样。对有涂层泡沫钛合金和无涂层泡沫钛合金进行了压缩试验。压缩试样的尺寸为31.25 mm×30 mm×6 mm，压缩试验频率为40 Hz，最小和最大载荷比R分别为0.1和0.5。疲劳强度用破坏性试验获得，允许最大载荷比最大疲劳强度低5%。多孔试样和致密涂层多孔试样的允许最大载荷分别为200 N和350 N。采用数码相机采集记录压缩试样两面裂纹扩展的实时状态，采集帧率为3 f/s，以平均裂纹长度作为裂纹尺寸的评判标准。测试中还用到ASTM E647-08标准规定的柔度法，同时利用帕里斯定律da/dN=C△Km分析疲劳裂纹扩展速率。其中裂纹尖端的应力强度因子△K由循环最大和最小载荷计算得到，C和m为常数。da/dN和△K曲线一般分为3段，第1段为近门槛区，第2段为帕里斯区，第3段为快速扩展区。实验主要是对帕里斯区进行了研究。通过增加应力强度因子△K，得到了一系列的实验数据，经拟合后得到无涂层和致密涂层试样的帕里斯定律参数C和m，分别为7×10-17、1×10-16和17.1±0.3、14.2±0.2。在同样的应力强度因子下，无涂层的试样C值更低，m值更高，说明无涂层试样裂纹生长速率更快，这是由于致密涂层提高了泡沫钛合金裂纹扩展阻力。在R值分别为0.5和0.1时，无涂层试样的帕里斯参数m值分别为16.59和17.15，致密涂层试样的m值分别为15.76和14.16。无涂层和致密涂层试样的m值变化趋势相反，但差别都不明显，说明最小最大载荷比对于裂纹扩展速率的影响不明显。研究中的致密涂层虽然能够降低裂纹扩展速率，但帕里斯参数的变化没有降低应力强度因子△K的作用明显，同时实验所用制备致密涂层的方法只适用于简单的板件等，在医用方面并没有明显优势。密质骨的帕里斯指数m为4.4～9.5，牙本质为8.76，都低于无涂层试样（17.15）。在给定的应力强度因子△K下，牛骨的帕里斯指数m值为3.71～5.42，远低于60%开孔泡沫钛合金，裂纹尖端的弹性应变集聚是多孔金属材料比牛骨等裂纹扩展阻力高的主要原因。泡沫钛合金在松质骨修复、牙科修复中可能有广泛的应用。