增材制造含铜钛合金的抗亚稳点蚀作用机制研究

摘要

生命健康问题成为我国现阶段面临的严峻挑战,《“十四五”规划纲要》已将“高 性能医疗器械”列为亟需发展的核心技术。以激光粉床熔融(LPBF)为代表的增材制 造技术成功制造满足个性化需求的金属植入器械,已应用于骨科及牙科领域。然而, LPBF 钛合金的组织以 α’马氏体为主,容易腐蚀形成明显的亚稳态凹坑,增加植入物失 效风险。这项工作基于晶界工程策略,成功制备出高性能增材制造含铜钛合金 (LPBF-Ti-5Cu、LPBF-Ti6Al4V-5Cu)。如图 1 所示,实验发现 5wt.%Cu 的添加能够 明显细化马氏体板条,平均晶粒尺寸由 0.97 μm 降至 0.36 μm,有利于促进合金钝化 膜中稳定氧化物(如 TiO2、Al2O3)的形成,降低钝化膜中氧空位浓度。此外,前期 研究证实含铜钛合金的钝化膜中 Cu 以间隙物(CuTi x' )的形式存在,在此基础上,本研究 进一步结合点缺陷模型,如图 2 所示,进一步证实CuTi x' 能够消耗钝化膜中的阳离子空 位,有效地抑制亚稳点蚀的形核与发展,进而 Cu 的添加能够显著提高增材制造钛合金 在 3.5%NaCl 溶液中的抗亚稳点蚀的能力。该工作阐明了 Cu 的添加对增材制造钛合金 的显微组织、亚稳点蚀行为的影响机制,为高性能增材制造钛合金植入物的开发提供 了新思路。该研究结果以“Metastable pitting corrosion behavior of laser powder bed fusion produced Ti6Al4V-Cu in 3.5% NaCl solution”发表于 Corrosion Science (2023, 223, 111452, https://doi.org/10.1016/j.corsci.2023.111452)。 图 1.亚稳点蚀行为分析: LPBF 制备的(a)Ti6Al4V 和(b)Ti6Al4V-Cu 合金在 3.5%NaCl 溶液中动电位极化曲线;(c)和(d)分别为两种合金经不同电位下的恒电 位极化曲线;(e)和(f)分别为两种合金的亚稳点蚀形核率统计结果;(g)和 (h)经 1.1VSCE 极化后的两种合金表面点蚀坑形貌 图 2. (a)Ti6Al4V 和(b)Ti6Al4V-Cu 合金在 3.5%NaCl 溶液中的抗稳点蚀行为机制 示意图