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电子束选区熔化制备Ti--6Al--4V合金腐蚀性能研究

摘要钛合金由于具有高比强度、较低的弹性模量、优异的耐腐蚀性能和良好的生物相容性而成为理想的金属植入材料。电子束选区熔化技术(electron beam melting,EBM)作为增材制造技术(Additive manufactureing,AM)的重要分支之一,在制备高熔点钛合金及其复杂精细构型方面具有显著优势。目前关于EBM制备钛合金的研究大多集中在工艺参数优化、显微组织、力学性能和生物相容性方面,对于其腐蚀性能的研究较少。因此,本文针对当前医疗领域应用最广泛的Ti-6Al-4V合金,采用EBM技术制备实体及多孔构件,探讨堆积取向、样品厚度、孔隙特征等对其腐蚀性能的影响,并对其腐蚀机制进行讨论。<br>  研究表明,EBM制备Ti-6Al-4V合金显微组织由片层α相和β相组成。与具有相同类型组织的锻造Ti-6Al-4V合金相比,EBM制备过程较快的冷却速度导致其晶粒尺寸更细小且含有更多含量的β相。细小片层状α相和β相减弱了合金元素在各相中的不均匀分布,降低α相/β相之间的电偶电流效应;较高含量的β相增加了电荷转移电阻,降低Ti-6Al-4V合金溶解速率;同时,高密度晶界为电子转移和原子扩散提供通道,增加了钝化膜在成膜初始阶段的生长速率,利于形成致密钝化膜。上述因素导致在磷酸盐缓冲溶液(Phosphate Buffer Saline,PBS)中,EBM制备Ti-6Al-4V合金表现出比具有片层组织的锻造Ti-6Al-4V合金略好的耐电化学腐蚀性能。<br>  堆积取向和样品尺寸会影响EBM制备Ti-6Al-4V合金的腐蚀性能。EBM制备Ti-6Al-4V合金水平截面比垂直截面具有更多含量的(0001)α取向晶粒,因而水平截面的耐腐蚀性能更优异。不同厚度样品在EBM制备过程中冷却速度存在差异,冷却速度随样品厚度的减小而增加,造成样品中针状α'马氏体相含量增加,耐腐蚀性能降低。<br>  孔隙特征对多孔Ti-6Al-4V合金腐蚀性能的影响与腐蚀介质相关。在PBS溶液中,多孔与实体Ti-6Al-4V合金均表现出良好的耐腐蚀性能。但多孔Ti-6Al-4V合金由于较大的暴露表面积,促进电解质与合金表面的相互作用,加快电化学反应,因而钝化膜稳定性弱于实体Ti-6Al-4V合金。同时,大孔径孔隙利于电解液流动,削弱了孔隙内部微环境的成分变化,降低了局部腐蚀的可能性,因此,随着孔径增加,多孔Ti-6Al-4V合金维钝电流密度降低,电荷转移电阻增大,耐腐蚀性能提高。但在氟离子和氢离子协同作用导致钝化膜受损的环境中(pH=2,F-=0.05M,PBS-H-F),多孔Ti-6Al-4V合金的腐蚀性能与实体合金相当,孔隙特征影响不显著。<br>  在pH=2,F-=0.05M的PBS溶液(PBS-H-F)中,原位监测EBM制备Ti-6Al-4V合金多孔材料不同深度位置腐蚀行为。孔隙的存在对腐蚀过程起到了缓冲作用,溶液从孔隙外部向内部的扩散过程中,沿深度方向存在氟离子浓度梯度,孔深度较浅位置氟离子浓度较高,钝化膜被完全溶解,导致合金表面发生稳态点蚀。随着孔深度的增加,氟离子浓度降低,减弱了对钝化膜的溶解作用,降低了合金的腐蚀速率。<br>  

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