تجزیه و تحلیل خواص خوردگی تیتانیوم پزشکی

با پیشرفت اجتماعی و توسعه اقتصادی به ویژه پیشرفت علم و فناوری، امر پزشکی دستاوردهای چشمگیری داشته است. در این میان مواد فرآورده های پزشکی تولید شده در سال های اخیر نقشی بی بدیل در درمان و ترمیم بافت های انسانی و بهبود عملکرد بافت ها و اندام های انسان ایفا می کنند و تیتانیوم و آلیاژهای نواری به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند. در زیر، این مقاله به طور خلاصه مقاومت به خوردگی تیتانیوم پزشکی را تجزیه و تحلیل می کند.

به عنوان یک ماده کاربردی مهم، تیتانیوم به دلیل چگالی کم، استحکام ویژه بالا و مقاومت در برابر خوردگی خوب به طور گسترده در صنایع هوافضا، انرژی، تجهیزات پزشکی و سایر زمینه ها استفاده می شود. توسعه تیتانیوم پزشکی و آلیاژهای تیتانیوم را می توان تقریباً به سه دوره تقسیم کرد:

مرحله اول توسط تیتانیوم خالص و Ti-6AI-4V نشان داده شده است. دوره دوم: + Ti-5a1-2.5fe و Ti-6Al-7Nb آلیاژهای نماینده هستند. مرحله سوم تولید محصولاتی با عملکرد بیولوژیکی بهتر و مدول الاستیک کمتر است. نوع آلیاژ تیتانیوم خط دفاعی اصلی است. استفاده از مواد آلیاژ تیتانیوم جدید جهت توسعه دستگاه های پزشکی رایج فعلی خواهد بود.

تحقیقات در مورد مواد آلیاژ تیتانیوم پزشکی در چین در دهه 1970 آغاز شد، زمانی که ti-2.5al-2.5mo-2.5zr (TAMZ) توسعه یافت. در دهه 1990، Ti-6Al-4V، ti-al-2.5fe و ti-6 با حقوق مالکیت معنوی مستقل به طور متوالی توسعه یافتند.

مواد Al-7nb. آکادمی علوم چین همچنین آلیاژ تیتانیوم جدید ti-24nb-4zr-7.6sn را توسعه داده است. در حال حاضر، توسعه آلیاژ تیتانیوم در چین عمدتاً بر روی پیشرفت مواد جدید و کاربرد فعال مواد آلیاژ تیتانیوم متمرکز است.

1، خوردگی تیتانیوم

تیتانیوم یک فلز ترمودینامیکی ناپایدار است و پتانسیل کندشدن آن منفی است. پتانسیل استاندارد الکترود 1.63- ولت است. بنابراین، تشکیل یک فیلم اکسیدی با خاصیت غیرفعال شدن در اتمسفر و محلول آبی، با مقاومت به خوردگی خوب آسان است.

1. مقاومت به خوردگی تیتانیوم در محیط های مختلف

مطالعه مقاومت به خوردگی مواد پزشکی بسیار مهم است. از یک سو، برخی از یون‌های فلزی یا محصولات خوردگی مواد کاشته‌شده به بافت‌های بیولوژیکی نفوذ می‌کنند که می‌تواند واکنش‌های فیزیولوژیکی در درجات مختلف را ایجاد کند. از سوی دیگر، به دلیل وجود مایعات بدن، عملکرد برخی از مواد ممکن است به طور جدی تخریب شود و در نتیجه آسیب سریع یا حتی خرابی آنها به وجود آید. محیط بدن انسان نسبتاً پیچیده است که به احتمال زیاد باعث انحلال عناصر کمیاب و تغییر پایداری لایه اکسید می شود. اصطکاک جزئی می تواند به درجات مختلف به فیلم غیرفعال سازی تشکیل شده روی سطح تیتانیوم آسیب برساند. به عنوان مثال، در یک محیط ضعیف اکسیژن، پایداری لایه اکسید ضعیف می شود و زمانی که آسیب می بیند، نمی توان آن را بلافاصله تعمیر کرد یا یک لایه اکسید جدید تشکیل داد که احتمال خوردگی آن بیشتر است. در حرکات مکرر بدن انسان و استفاده از ابزار به سختی می توان از چنین وضعیتی اجتناب کرد. تغییر شکل پلاستیک وضعیت ساختاری مواد را تغییر می‌دهد و سپس بر عملکرد خوردگی مواد تأثیر می‌گذارد. تأثیر تغییر شکل پلاستیک بر خواص خوردگی مواد متفاوت است. در فرآیند تغییر شکل پلاستیک، به دلیل تمرکز تنش داخلی، نقص در سطح مشترک و دانه ایجاد می شود. بنابراین تغییر شکل پلاستیک مقاومت در برابر خوردگی مواد را تضعیف خواهد کرد.

2. مکانیسم خوردگی تیتانیوم

تیتانیوم یک عنصر انتقالی از گروه IVB است که از نظر شیمیایی فعال است و میل ترکیبی زیادی با اکسیژن دارد. در هر محیط حاوی اکسیژن، به راحتی می توان یک لایه غیرفعال متراکم روی سطح تیتانیوم تشکیل داد که بسیار نازک است و ضخامت آن معمولاً از چند نانومتر تا ده ها نانومتر است. وجود فیلم غیرفعال کننده آلیاژ تیتانیوم، سطح انحلال فعال سطحی و سرعت انحلال را کاهش می دهد، بنابراین در برابر آسیب ناشی از انحلال مقاومت می کند. علاوه بر این، فیلم غیرفعال نیز می تواند به طور خودکار تعمیر شود و در صورت آسیب دیدن، یک فیلم محافظ جدید به سرعت تشکیل می شود. بنابراین تیتانیوم مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارد. اشکال خوردگی تیتانیوم کاشته شده در ارگانیسم را می توان به خوردگی حفره ای، خوردگی تنشی، خوردگی شکافی، خوردگی گالوانیکی و خوردگی سایش تقسیم کرد.

2.1 خوردگی داخلی

خوردگی تنشی به پدیده ای اطلاق می شود که وقتی تنش کششی و خوردگی همزمان عمل می کنند، فلز ترک می خورد. روند کلی به شرح زیر است: عمل تنش کششی باعث می شود که لایه محافظ تشکیل شده بر روی سطح فلز شکسته شود و منبع ترک خوردگی حفره ای یا شکافی ایجاد شود و تا عمق توسعه یابد. در عین حال، عمل تنش کششی می تواند باعث شکسته شدن مکرر لایه محافظ، ایجاد ترک های عمود بر تنش کششی و حتی منجر به شکستگی شود.

2.1.1 دلایل موثر بر واکنش تنش آلیاژ تیتانیوم

SCC آلیاژ تیتانیوم نتیجه محیط، تنش و مواد است. SCC بسیار انتخابی است، تا زمانی که یکی از سه عامل فوق تغییر کند، SCC رخ نخواهد داد.

1) محیط زیست

(1) متوسط

SCC آلیاژ تیتانیوم ممکن است تحت تأثیر بسیاری از محیط ها مانند محلول آبی، آب مقطر، محلول آلی و نمک داغ ایجاد شود. مکانیسم SCC در رسانه های مختلف متفاوت است.

(2) مقدار PH

تأثیر مقدار pH بر SCC آلیاژ تیتانیوم هنوز کاملاً متفاوت است. به طور کلی، حساسیت SCC آلیاژ تیتانیوم با افزایش مقدار pH کاهش می یابد. هنگامی که مقدار pH 13-14 است، SCC اغلب می تواند سرکوب شود. با این حال، یک محیط خورنده قوی با مقدار pH 2-3 حتی می تواند در جلوی ترک های محلی که در آن تغییرات SCC رخ می دهد تشکیل شود.

(3) بالقوه

تأثیر پتانسیل بر درجه SCC بسیار مهم است. پتانسیل حساس SCC آلیاژ با سیستم خوردگی متشکل از آلیاژ و محیط متفاوت است. برای مثال، وقتی پتانسیل b-آلیاژ تیتانیوم در محلول آبی حاوی هالید حدود - 600mV باشد، SCC تشدید می‌شود. تحت پتانسیل غیرفعال شدن بیش از حد، ترک نیز رخ می دهد. با این حال، زمانی که پتانسیل کمتر از - 1000mV باشد، ترک ایجاد نمی‌شود. در محلول آبی حاوی Cl - و Br -، پتانسیل حساس SCC ti8al1mo1v - 500mv - - 600mV است. در محلول آبی حاوی I - پتانسیل حساس بالای 0 میلی ولت است.

(4) دما

دما یکی از عوامل مهمی است که بر تولید SCC در آلیاژهای تیتانیوم تأثیر می گذارد. به طور کلی، حساسیت SCC با افزایش دما افزایش می یابد. در محیط هوای نمک گرم 300-500 درجه، خوردگی تنش آلیاژ ti6al3mo2zr0.5sn به SCC بالای 450 درجه حساس تر است. در محلول H2S + CO{11}} NaCl + s، حساسیت SCC آلیاژ Ti6Al4V با مقدار معینی PD یا Mo در 200 درجه کمتر از 250 درجه است. اما مواد کاشته شده در بدن انسان حساسیت محدودی به دما دارند.

(5) غلظت یون کلر

هر چه غلظت کلر - در محلول بیشتر باشد، حساسیت SCC بیشتر است.

2) استرس

حوادث SCC ناشی از تنش پسماند آلیاژ در حین کار سرد، آهنگری، جوشکاری، عملیات حرارتی یا مونتاژ، 40٪ از کل حوادث SCC را تشکیل می دهد. علاوه بر این، تنش خارجی ایجاد شده در حین کار، تنش خارجی ناشی از اثر حجمی محصولات خوردگی، یا تنش ناهموار ناشی از اثر حجمی محصولات خوردگی، همه منابع تنش SCC هستند. هر چه سطح تنش بالاتر باشد، زمان SCC کوتاهتر است.

3) مواد

در یک محیط محیطی، اگر ترکیب شیمیایی، جداسازی، ساختار، اندازه دانه، عیوب کریستالی، خواص، عملیات حرارتی و حالت سطحی مواد متفاوت باشد، رفتار خوردگی تنشی و درجه آنها نیز متفاوت است. افزودن مقدار کمی PD، Mo یا Ru به آلیاژ تیتانیوم می تواند حساسیت خوردگی تنشی آن را کاهش دهد. حساسیت SCC آلیاژهای Ti6Al4V و ti15v3cr3al3sn پس از تیمار اوج پیری بیشتر از آلیاژهای آنیل شده است. هنگامی که محتوای اکسیژن در آلیاژ Ti6Al4V کمتر از 0.13٪ باشد، حساسیت SCC را می توان تا حد زیادی کاهش داد.

2.1.2 راه حل های رایج

روش های زیر را می توان برای حذف یا کاهش حساسیت SCC آلیاژ تیتانیوم در محیط های خاص مورد استفاده قرار داد:

1) استرس پسماند را از بین ببرید

تنش پسماند موضعی ایجاد شده پس از ساخت قطعات را می توان با آنیل کردن کلی یا آنیل موضعی حذف کرد. در این زمان، تأثیر منفی عملیات حرارتی بر استحکام، پلاستیسیته یا چقرمگی ماده باید در نظر گرفته شود.

2) آلیاژسازی

برای آلیاژهای سنتی، مقدار مناسبی از PD، Mo یا Ru را می توان با توجه به شرایط به آلیاژ اضافه کرد تا مقاومت SCC آن را بهبود بخشد.

3) درمان سطحی

با بهبود کیفیت سطح آلیاژ تیتانیوم می توان زیست سازگاری و مقاومت در برابر سایش مواد را بهبود بخشید و زمان و سرعت تولید ترک را کاهش داد و به تاخیر انداخت.

2.2 خوردگی شکافی

هنگامی که محیط در شکاف ایجاد شده بین قطعه فلزی و فلز یا غیر فلز قرار دارد، می‌تواند خوردگی فلز در شکاف را تسریع کند که به آن خوردگی شکافی می‌گویند. خوردگی شکافی نوعی خوردگی موضعی است. هنگامی که در تیتانیوم و آلیاژ تیتانیوم شکاف ایجاد می شود، به دلیل عدم وجود مواد اکسید کننده در شکاف، تبدیل به آند شده و خورده می شود و فیلم غیرفعال را از بین می برد. به طور کلی، خوردگی شکاف از سه مرحله عبور می کند: ① مصرف اکسیژن در شکاف. ② تشکیل یک باتری ماکرو، و مقدار pH کاهش می یابد. ③ فیلم غیرفعال فعال و حل می شود تا زمانی که کاملاً از بین برود. مشخص شد که درجه خوردگی شکاف ماده در محلول هنکس در 37 درجه NiTi > NiTiCu > 316L > Ti6Al4V ≈ Ti است. Ti و Ti6AI4V دارای مقاومت خوردگی شکاف قوی در محلول هنکس هستند.

2.3 سایش و خوردگی

خوردگی سایش به این صورت است که وقتی فلز و محیط با یکدیگر در تماس هستند، سرعت حرکت نسبی زیاد است که باعث می شود سطح فلز دچار سایش شود و سپس باعث خوردگی تسریع شده فلز شود. هنگامی که تیتانیوم به عنوان ایمپلنت کاشته می شود، تا حدی با ابزار عمل سایش می یابد که باعث از بین رفتن لایه اکسید روی سطح می شود. اگر این لایه اکسید نتواند به موقع ترمیم شود، فلز کاشته شده بیشتر خورده یا حتی از بین می رود.

مواد زیست پزشکی پایه مادی مهمی برای توسعه سریع پزشکی بالینی مدرن هستند و موضوعات اصلی تحقیقات مواد در قرن بیست و یکم هستند. تیتانیوم به عنوان نوع جدیدی از مواد مقاوم در برابر خوردگی- پیشرفت زیادی داشته است. به دلیل زیست سازگاری خوب و مقاومت در برابر خوردگی، به طور گسترده در زمینه زیست پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است. با این حال، هنوز مشکلات زیادی در کاربرد تیتانیوم در محیط انسانی وجود دارد. بنابراین، عملکرد مواد تیتانیوم در تمام جنبه ها باید به طور عمیق مورد مطالعه قرار گیرد تا طراحی و توسعه سریعتر مواد زیست پزشکی آغاز شود.