鄭自芹，王振國，黃偉九

（1. 中國兵器工業(yè)第五二研究所煙臺分所，煙臺 261053；2. 有研億金新材料有限公司，北京 102200；3. 重慶理工大學 材料科學與工程學院，重慶 400054）

Hank's模擬體液中Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn與Ti-2.5Al-3Mo-2.5Zr合金的微磨損行為

鄭自芹1， 3，王振國2， 3，黃偉九3

（1. 中國兵器工業(yè)第五二研究所煙臺分所，煙臺 261053；2. 有研億金新材料有限公司，北京 102200；3. 重慶理工大學 材料科學與工程學院，重慶 400054）

采用TE66微磨粒磨損設(shè)備對醫(yī)用Ti-25Nb-3Mo-3Zr-2Sn （TLM）和Ti-2.5Al-3Mo-2.5Zr（TAMZ）鈦合金在Hank's模擬人體體液中的微磨損行為進行研究；考慮到載荷及磨粒濃度的影響，通過觀察磨斑形貌建立合金磨損機制圖，并結(jié)合磨損體積建立材料優(yōu)選圖。結(jié)果表明：載荷增加致使單個磨粒所承受應力增加，導致合金磨損體積隨載荷增加而增加；合金磨損體積亦隨磨粒濃度增加而增加；TLM合金中含有細小αs相致使其磨損體積較小。合金的摩擦因數(shù)均隨載荷增加而增加，隨磨粒濃度增加而降低，同等條件下TAMZ合金的摩擦因數(shù)要大。本實驗條件下TLM合金的耐微磨損性能優(yōu)于TAMZ合金的。磨損后TLM合金所呈現(xiàn)出來的磨損機制為二體和混合磨損機制，而TAMZ合金則呈二體、混合和三體磨損機制。TLM合金在本實驗條件下可選擇的范圍比TAMZ的大。

鈦合金；生物材料；微磨損；模擬人體體液；磨損機制

Ti-Al-Mo-Zr （TAMZ）作為20世紀90年代開發(fā)的無釩醫(yī)用鈦合金，除鈦合金的優(yōu)異性能外，作為外科植入生物材料還具有良好的生物相容性等［1-2］。Ti-Zr-Nb-Mo-Sn （TLM）合金作為第三代醫(yī)用近β型鈦合金，具有低彈性模量、較高強度、高塑韌性、良好耐磨性及疲勞強度高等優(yōu)良性能，綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)醫(yī)用鈦合金的［3-4］。作為醫(yī)用金屬植入材料，TLM 和TAMZ合金可作為人工關(guān)節(jié)假體等使用，在植入人體后要承受體液腐蝕與人骨或其他植入件的磨損的共同作用，容易造成假體脫落或失效等［5］。人工關(guān)節(jié)假體在人體內(nèi)腐蝕環(huán)境下與摩擦配偶（人骨或其他植入件）所發(fā)生的磨損大多為微磨損［6-7］。對于TLM和TAMZ鈦合金在模擬體液環(huán)境中微磨損行為的研究取得了一些成果［7-10］，如磨粒濃度、載荷及摩擦配偶等的影響，但未對不同兩種合金在相同工況條件下的微磨損行為進行對比，探索各個合金的不同之處。

因此，本文作者以TLM及TAMZ合金為研究對象，探索這兩種醫(yī)用鈦合金在Hank's模擬人體體液環(huán)境中加載載荷和磨粒濃度對微磨損行為的影響。

1 實驗

1.1 實驗材料及參數(shù)

實驗選用由西北有色金屬研究院提供的TLM和TAMZ鈦合金板材，主要化學組成如表1所列。實驗時試樣尺寸為33 mm×25 mm×3 mm，試樣經(jīng)200、400、600、800和1000號SiC砂紙進行逐級打磨至光滑，然后清洗晾干再進行微磨粒磨損實驗。

本實驗在 TE66微磨損試驗機上進行，溫度為（37±0.5） ℃，摩擦副為直徑25.4 mm的Si3N4陶瓷球，模擬體液為Hank's溶液，其組成參見文獻［11］，載荷設(shè)置為 0.05、0.5、1.0和 2.0 N，磨粒為 SiC F1000（（4.5±0.5）μm），磨粒濃度設(shè)為0.025、0.05、0.1、0.2 和0.25 g/cm3，滑移距離為29.91 m，陶瓷球旋轉(zhuǎn)速度為75 r/min。用DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器保證恒定的溫度的及濃度的均勻性。采用數(shù)顯式顯微鏡測量磨斑直徑。為保證實驗的準確性，每次實驗進行3次，取3次實驗平均值。

表1 實驗用鈦合金的化學成分Table 1 Main chemical composition of titanium alloys

1.2 磨損體積

磨斑磨損體積（V）由式（1）計算而得［12］：

式中：b為磨斑直徑（mm）；R為Si3N4球直徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 磨損體積

圖1所示為TLM與TAMZ合金在不同磨粒濃度下磨損體積與載荷的關(guān)系，圖1（a）和1（b）所對應的磨粒濃度分別為0.025 g/cm3和0.2 g/cm3。由圖1可知，TLM與TAMZ合金的磨損體積在不同磨粒濃度下均隨載荷的增加而增加；TAMZ合金的磨損體積在不同載荷下均大于TLM合金的。

隨載荷增加，兩摩擦配副之間單個磨粒所承受的正壓力增大，致使磨粒嵌入試樣表面深度亦會增加，同時磨粒還受到與滑動方向一致的切應力的作用，在切應力作用下滑動，對試樣表面進行切削，之后試樣表面出現(xiàn)平行于滑動方向的溝槽，使試樣表面被磨損部位發(fā)生塑性變形而沿溝槽兩側(cè)堆積，在之后的磨損過程中堆積部分在正壓力作用下又被碾平，如此循環(huán)往復變形、堆積、碾平，最終導致在試樣表面產(chǎn)生裂紋而引起材料剝落，使得材料磨損體積增加；同時剝落的材料在滑動作用下進入兩摩擦配副之間，并以硬質(zhì)顆粒或磨粒的形式參與到磨損過程中，進一步加劇材料的損失。

TAMZ作為α+β型鈦合金，組織構(gòu)成以α相和β相為主，而TLM作為近β型鈦合金的組織由亞穩(wěn)β相和少量α相及析出的細小次生α相（αs）構(gòu)成，細小αs相質(zhì)點在近β型鈦合金中能起彌散強化和細晶強化作用［13-16］，可提高合金強度，進而增強合金耐磨性。

圖1 TLM與TAMZ合金的磨損體積與載荷的關(guān)系Fig. 1 Relationship between wear volume and load of TLM and TAMZ， abrasive concentration: （a） 0.025 g/cm3； （b） 0.2 g/cm3

圖2（a）和2（b）所示分別為在載荷1 N和2 N下TLM與TAMZ合金的磨損體積與磨粒濃度的關(guān)系。由圖2可知，這兩種合金的磨損體積均隨磨粒濃度增加而增加，且磨粒濃度越大，合金磨損體積增加趨勢越大；TAMZ合金的磨損體積均大于TLM合金的。

在磨損過程中當磨粒濃度增加時，單位體積內(nèi)磨粒數(shù)量增加，試樣表面的切削點增加，試樣表面更容易產(chǎn)生應力集中，容易造成試樣表面反復塑性變形，導致材料流失增加。且 Hank's溶液本身具有腐蝕性Cl-等［9-10］，當磨損到一定階段后，由磨損產(chǎn)生的溝槽內(nèi)充滿 Hank's溶液，試樣表面受到腐蝕性離子侵蝕，導致溝槽邊沿堆積起來的材料變的疏松而易被磨掉，在磨損與腐蝕反復相互作用下，從而加劇材料流失［7， 12］。

2.2 摩擦因數(shù)

圖3（a）和圖3（b）所示分別為TLM與TAMZ合金的在磨粒濃度為0.025 g/cm3和載荷為1 N時的摩擦因數(shù)。兩種合金的摩擦因數(shù)均隨載荷增加而增大，隨磨粒濃度增加而減?。磺襎AMZ合金的摩擦因數(shù)大于TLM合金的。通常情況下載荷通過摩擦配偶之間的接觸面積和被摩擦材料的變形狀態(tài)來影響摩擦磨損，當載荷增加時兩摩擦配偶之間接觸面積增大，兩摩擦配偶相對運動阻礙隨之增大，摩擦因數(shù)亦會隨之增大；而磨粒濃度對摩擦因數(shù)的影響主要通過材料表面形成鈍化膜［10］，被摩擦表面若形成鈍化膜，摩擦就會在膜層表面；由于鈍化膜在磨損過程中產(chǎn)生，其性能要比兩摩擦配偶的差，在磨損過程中鈍化膜先被破壞，此時磨損表面發(fā)生粘著概率就很低，摩擦因數(shù)相應降低。由于合金表面磨損狀態(tài)及合金性能不同，TLM合金的摩擦因數(shù)要低于 TAMZ 合金的，說明相同條件下，TLM合金摩擦磨損時兩摩擦配偶之間的破壞較小。

圖2 TLM與TAMZ合金的磨損體積與磨粒濃度的關(guān)系Fig. 2 Relationship between wear volume and abrasive concentration of TLM and TAMZ alloy at different loads: （a） 1 N； （b） 2 N

2.3 磨損機制

圖3 TLM與TAMZ合金的摩擦因數(shù)Fig. 3 Friction coefficients of TLM and TAMZ alloy at abrasive concentration of 0.025 g/cm3（a） and load of 1 N（b）

通過觀察不同載荷及磨粒濃度下合金的磨斑形貌繪制如圖4所示的TLM和TAMZ合金的磨損機制。由圖4可看出，隨磨粒濃度的增加磨損機制由二體磨損（見圖5（a））逐漸過渡到混合磨損直至三體磨損（見圖5（b）），而在本實驗條件下，在相同磨粒濃度不同載荷下的磨損機制基本上一樣。由圖4還可看出在較低載荷、較高磨粒濃度下，TAMZ合金中出現(xiàn)了三體磨損機制，這與其前面提到的磨損體積的大小是相呼應的，這在一定程度上也間接說明了在相同條件下 TAMZ合金的磨損體積要大于TLM合金的。

2.4 材料優(yōu)選圖

通過TLM和TAMZ合金的磨損體積和磨斑形貌建立選材圖，如圖6所示，為這2種合金在醫(yī)療器械等方面的應用提供一種依據(jù)或參考。圖6顯示，在本實驗條件下 TLM 合金均可被選擇；在濃度較高（0.1～0.25 g/cm3）、載荷較低（小于0.5 N）時優(yōu)選TLM合金；在濃度0.1～0.2 g/cm3范圍、載荷1.5～2.0 N范圍內(nèi)同樣優(yōu)選TLM 合金；在其余的區(qū)間范圍內(nèi)TAMZ 和TLM合金均可作為備選材料。圖6也可間接地說明TLM合金的耐磨性能在本實驗條件下優(yōu)于TAMZ合金的。

圖4 TLM與TAMZ合金的磨損機制Fig. 4 Wear mechanisms of two alloys: （a） TLM； （b） TAMZ

圖5 二體磨損與三體磨損的磨斑形貌Fig. 5 Wear morphologies of two-body（a） and three-body（b）wear

圖6 磨粒濃度―載荷下的選材圖Fig. 6 Map of selected material of abrasive concentration and load

3 結(jié)論

1） 醫(yī)用TLM與TAMZ合金的微磨粒磨損體積隨載荷和磨粒濃度增加而逐漸增加，相同實驗條件下TAMZ合金的磨損體積要大于TLM合金的磨損體積。

2） TLM與TAMZ合金的摩擦因數(shù)在濃度為0.025 g/cm3時隨載荷增加而降低，在載荷為1.0 N時隨磨粒濃度增加而降低，且 TLM合金的摩擦因數(shù)均要小于TAMZ合金的摩擦因數(shù)。

3） 通過觀察合金的磨斑形貌得知，TAMZ合金所表現(xiàn)出來的磨損機制有二體磨損、混合磨損及三體磨損（低載荷，較高的磨粒濃度），而TLM合金僅僅表現(xiàn)出二體磨損和混合磨損機制。

4） 由材料優(yōu)選圖可知，TLM 合金在本實驗條件下均可被選擇；濃度較高（0.1～0.25 g/cm3）、載荷小于0.5 N或在1.5～2.0 N范圍內(nèi)TAMZ合金不可選。

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（編輯 龍懷中）

Micro-scale wear behavior of biomedical material Ti-3Zr-2Sn-3Mo-25Nb and Ti-2.5Al-3Mo-2.5Zr alloy in hank's solution

ZHENG Zi-qin1， 3， WANG Zhen-guo2， 3， HUANG Wei-jiu3
（1. No. 52 institute of China Ordnance Industries Yantai Branch， Yantai 261053， China；2. Grikin Advanced Materials Co.， Ltd.， Beijing 102200， China；3. School of Materials Science and Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China）

The micro-scale wear behaviors of biomedical titanium alloys Ti-3Zr-2Sn-3Mo-25Nb （TLM） and Ti-2.5Al-3Mo-2.5Zr （TAMZ） in Hank's solution were studied by using the TE66 machine. The load and abrasive concentration were considered. The results show that the wear volumes of the two alloys increase with increasing load and abrasive concentration. The wear volume of TAMZ alloy is bigger. The friction coefficients of the two alloys increase with increasing load and decrease with increasing abrasive concentration， and the friction coefficient of TLM alloy is lower. Through observation the wear scar of the two alloys， the TLM alloy presents two-body wear and mixed-wear mechanism， the TAMZ alloy presents two-body， mixed and three-body wear mechanism. From the map of selected material， the chosen field of the TLM alloy is broader than that of the TAMZ alloy.

titanium alloy； biomaterial； micro-scale wear； Hank's simulated body fluid； wear mechanism

Projects（50405005， 51401027） supported by the National Natural Science Foundation of China；Project（2012-940） supported by the Foundation of the Ministry of Education of China for Returned Scholars

date： 2015-09-08； Accepted date： 2015-12-21

HUANG Wei-jiu； Tel: +86-23-62563089； E-mail: huangweijiu@cqut.edu.cn

TG172.2；TH117.1

A

1004-0609（2016）-06-1222-06

國家自然科學基金資助項目（50405005，51401027）；教育部留學歸國人員基金資助項目（2012-940）

2015-09-08；

2015-12-21

黃偉九，教授，博士；電話：023-62563089；E-mail: huangweijiu@cqut.edu.cn