Sveobuhvatna analiza korozionih performansi medicinskog titana

Kao važan funkcionalni materijal, metal titan ima široku primenu u vazduhoplovstvu, energetskoj industriji, medicinskim potrepštinama i drugim poljima zbog svojih prednosti kao što su niska gustina, visoka specifična čvrstoća i dobra otpornost na koroziju. Istorija razvoja korozijske performanse medicinskog titana i legure titanijuma mogu se grubo podeliti u tri perioda: prvi period je predstavljen čistim titanijumom i Ti-6AI-4V; drugi period su legure tipa α+β, predstavljene Ti-5A1-2.5Fe i Ti-6Al-7Nb; treći period je razvoj legura titanijuma β-tipa sa boljim biološkim svojstvima i nižim modulom elastičnosti kao glavne linije odbrane. Primena novih materijala od legura titanijuma biće pravac razvoja mejnstrim medicinskih uređaja.

Korozivne karakteristike titanijuma

Titanijum je termodinamički nestabilan metal sa negativnim pasivacijskim potencijalom i standardnim potencijalom elektrode od -1.63V. Stoga je lako formirati pasivizirajući oksidni film u atmosferi i vodenom rastvoru i ima dobru otpornost na koroziju.

Otpornost titanijuma na koroziju u različitim medijima

Veoma je važno učiti korozijske performanse medicinskog titana. S jedne strane, neki metalni joni ili proizvodi korozije implantiranih materijala prodiru u biološka tkiva, što može izazvati fiziološke reakcije različitog stepena; s druge strane, zbog prisustva tjelesnih tekućina, performanse nekih materijala mogu biti ozbiljno smanjene, uzrokujući da se brzo oštete ili čak pokvare. Okolina ljudskog tijela je relativno složena, što olakšava rastvaranje elemenata u tragovima i promjenu stabilnosti oksidnog sloja. Lagano trenje može uzrokovati da pasivizirajući film formiran na površini titanijuma pretrpi različite stepene oštećenja. Na primjer, u okruženju siromašnom kisikom, stabilnost oksidnog sloja je oslabljena. Kada je oštećen, ne može se odmah popraviti ili se formira novi oksidni sloj, koji će vjerojatnije uzrokovati koroziju. Ova situacija je gotovo neizbježna u ponovljenom kretanju ljudskog tijela i korištenju instrumenata. Plastična deformacija će promijeniti stanje tkiva materijala i na taj način utjecati korozijske performanse medicinskog titana. Različiti stupnjevi plastične deformacije imaju različite efekte na koroziju materijala. U procesu plastične deformacije, zbog koncentracije unutrašnjeg naprezanja, nastaju defekti na međuprostoru i zrnima. Stoga će plastična deformacija oslabiti otpornost materijala na koroziju.

Mehanizam korozije titanijuma

Titanijum je prelazni element grupe IVB, sa relativno aktivnim hemijskim svojstvima i velikim afinitetom prema kiseoniku. U bilo kojem mediju koji sadrži kisik, na površini titana lako se formira gusti pasivacijski film. Ovaj pasivacijski film je izuzetno tanak, a njegova debljina je obično od nekoliko nanometara do desetina nanometara. Postojanje pasivizirajućeg filma od legure titana smanjuje površinu aktivnog rastvaranja i usporava brzinu rastvaranja, čime se odupire oštećenju uzrokovanom otapanjem. Osim toga, pasivizirajući film se također može popraviti sam. Kada se ošteti, može brzo formirati novi zaštitni film. stoga, korozijske performanse medicinskog titana. Oblici korozije metalnog titana implantiranog u tijelo mogu se podijeliti na koroziju udubljenja, koroziju pod naponom, koroziju u pukotinama, galvansku koroziju i koroziju habanja.

Analiza naponske korozije

Korozija pod naponom odnosi se na pojavu da se metali lome kada istovremeno djeluju vlačni napon i korozija. Opći proces je: da djelovanje vlačnog naprezanja uzrokuje da se zaštitni film stvoren na metalnoj površini počne lomiti, formirajući izvor pukotine ili korozije u pukotinama, te se razvija u dubini. U isto vrijeme, djelovanje vlačnog naprezanja može uzrokovati da se zaštitni film više puta lomi, formirajući pukotine okomito na vlačno naprezanje, pa čak i prouzrokujući lomove.

Faktori koji utiču na koroziju titanijumskih legura pod naponom

Pojava SCC-a (napregnuto koroziono pucanje) u titanijumskim legurama rezultat je kombinovanih efekata tri faktora: okoline, naprezanja i materijala. SCC je visoko selektivan. Sve dok se bilo koji od tri faktora promijeni, SCC se neće pojaviti.

(1) Životna sredina

• Srednji: Titanijumske legure mogu biti podvrgnute SCC-u u mnogim medijima kao što su vodeni rastvori, destilovana voda, organski rastvori i vruće soli. SCC mehanizam je različit u različitim medijima.

• pH vrednost: Još uvek postoje značajne razlike u uticaju pH vrednosti na SCC legura titanijuma. Uopšteno govoreći, kako se pH vrijednost povećava, SCC osjetljivost titanijumskih legura opada. Kada je pH vrijednost 13-14, SCC se često može inhibirati. Međutim, u prednjem dijelu lokalne pukotine gdje dolazi do SCC promjena, može se čak formirati jaka korozivna sredina s pH vrijednošću 2-3.

• Potencijal: Uticaj potencijala na stepen SCC je ključan. Korozivni sistem koji se sastoji od legure i medija je različit, a njegov potencijal osjetljivosti na SCC je različit.

Temperatura: Temperatura je jedan od važnih faktora koji utiču na pojavu SCC u legurama titanijuma. Uopšteno govoreći, osetljivost SCC raste sa povećanjem temperature. Međutim, temperaturna osjetljivost materijala ugrađenih u ljudsko tijelo je ograničena.

• Koncentracija Cl jona: Što je veća koncentracija Cl-a u rastvoru, veća je njegova SCC osetljivost.

(2) Stres

SCC nezgode uzrokovane zaostalim naprezanjem nastalim tokom hladnog rada, kovanja, zavarivanja, termičke obrade ili sklapanja legura čine 40% ukupnih nezgoda sa SCC. Osim toga, vanjski stres nastao tijekom rada ili vanjski stres uzrokovan volumenskim efektom produkata korozije također može uzrokovati SCC.

Ukratko, korozijske performanse medicinskog titana je ključni faktor koji se mora uzeti u obzir kada se koristi kao implantacijski materijal. Duboko razumijevanjem mehanizma korozije titanijuma i njegovih performansi u različitim okruženjima, može se obezbijediti naučna osnova za odabir i dizajn materijala od legura medicinskih titanijuma, čime se osigurava njegova sigurnost i pouzdanost u praktičnim primjenama.