滑液溫度對(duì)Ti6Al7Nb合金的耐磨性能影響研究

王崧全, 王樹(shù)軍, 李 瑩

(1. 江蘇師范大學(xué)，江蘇 徐州 221116)(2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽(yáng) 471039)(3.洛陽(yáng)雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

0 引 言

為治療人體關(guān)節(jié)的各類傷病，關(guān)節(jié)假體置換術(shù)是現(xiàn)今社會(huì)使用最廣，也是最有效的醫(yī)療方法，而關(guān)節(jié)假體材料的選擇一直是生物工程學(xué)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在關(guān)節(jié)假體材料的研究過(guò)程中，所使用的金屬假體替代材料主要包括不銹鋼、CoCr基合金及鈦合金等。奧氏體不銹鋼316L是最早用于關(guān)節(jié)假體置換的金屬材料，但由于其植入人體后會(huì)產(chǎn)生間隙腐蝕、摩擦腐蝕及疲勞腐蝕等問(wèn)題[1]，很快便被強(qiáng)度高、模量低且耐磨性與耐蝕性更為優(yōu)秀的CoCr基合金替代，直至目前，CoCrMo合金都是臨床上使用最為廣泛的關(guān)節(jié)假體置換材料，主要用于關(guān)節(jié)頭。與不銹鋼及CoCr基合金相比，鈦及鈦合金材料擁有相對(duì)密度小、彈性模量高、機(jī)械強(qiáng)度高及生物相容性好等特點(diǎn)，且其耐蝕性及抗疲勞特性更為優(yōu)越，逐漸成為外科植入體的首選材料，其中Ti6Al4V合金作為關(guān)節(jié)柄材料應(yīng)用最為廣泛[2-4]。但有研究發(fā)現(xiàn)，金屬元素V具有一定的致敏性，對(duì)人體細(xì)胞具有毒性，目前傾向于使用無(wú)毒的Nb元素來(lái)替代V元素，進(jìn)而開(kāi)發(fā)了一些新型鈦合金材料。相較于Ti6Al4V合金，Ti6Al7Nb合金在保證了優(yōu)良的機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，具有更好的耐磨性[5]、耐蝕性[6]以及更為優(yōu)越的生物活性[7]與生物相容性[8]，因此，Ti6Al7Nb合金在關(guān)節(jié)假體材料的應(yīng)用中越來(lái)越廣泛[9-12]。

另有研究表明，人工關(guān)節(jié)假體在體內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中，各界面(特別是關(guān)節(jié)頭/關(guān)節(jié)窩界面)由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生高于天然關(guān)節(jié)的摩擦熱，進(jìn)而影響假體的耐磨性能以及周圍軟組織的生物性能，從而導(dǎo)致假體材料在體內(nèi)的過(guò)早失效。根據(jù)Bergmann等人[13-15]的試驗(yàn)與仿真研究結(jié)果，人工髖關(guān)節(jié)假體中股骨頭與髖臼界面相互摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量，一定運(yùn)動(dòng)模式下股骨頭表面最高溫度能夠達(dá)到43 ℃，周圍滑液溫度能夠達(dá)到46 ℃，并且隨著患者體重、運(yùn)動(dòng)模式等的改變，溫度還會(huì)有進(jìn)一步提高。Lu等人[16]在開(kāi)展髖關(guān)節(jié)假體體外摩擦試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，小牛血清滑液的溫度會(huì)隨著摩擦過(guò)程逐漸升高，而當(dāng)滑液溫度超過(guò)40 ℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生蛋白質(zhì)沉淀，并作為邊界潤(rùn)滑劑黏附于髖臼表面，造成不完全邊界潤(rùn)滑條件的產(chǎn)生，進(jìn)而加速假體材料的粘著磨損。由此可見(jiàn)，滑液溫度嚴(yán)重影響著假體材料的耐磨性能，會(huì)對(duì)假體材料體內(nèi)服役壽命產(chǎn)生重要影響，但整理文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，滑液溫度并未作為假體耐磨性能的獨(dú)立影響因素而被系統(tǒng)研究。

因此，有必要開(kāi)展環(huán)境溫度對(duì)假體材料耐磨性能的影響研究，進(jìn)而為預(yù)測(cè)假體材料的體內(nèi)使用壽命提供一定的理論基礎(chǔ)。本研究通過(guò)RTEC多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展了Ti6Al7Nb合金在不同滑液溫度條件下的摩擦試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)質(zhì)量磨損量、摩擦系數(shù)及表面磨損形貌等摩擦學(xué)性能的對(duì)比分析，探討滑液溫度對(duì)Ti6Al7Nb合金耐磨性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 裝置與材料

使用RTEC多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展Ti6Al7Nb合金的摩擦試驗(yàn)，通過(guò)蠕動(dòng)泵調(diào)速微型水泵使下試樣夾具槽內(nèi)的滑液與恒溫水浴鍋內(nèi)的滑液相互循環(huán)，實(shí)現(xiàn)恒溫往復(fù)滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，裝置示意圖如圖1所示。

圖1 恒溫摩擦試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the friction test system under constant temperature

上試樣選擇ZrO2陶瓷球，規(guī)格為φ10 mm，Ra<0.01 μm；下試樣為由洛陽(yáng)船舶材料研究所生產(chǎn)的鍛造Ti6Al7Nb合金制成的圓片試樣，規(guī)格為φ25 mm×3 mm，化學(xué)成分如表1所示。

表1 Ti6Al7Nb合金的化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical composition of Ti6Al7Nb alloy

1.2 方法與參數(shù)

以Ti6Al7Nb合金圓片作為試驗(yàn)件，以ZrO2陶瓷球作為對(duì)磨件，利用砂紙將Ti6Al7Nb合金圓片打磨至2000#，并進(jìn)行表面拋光，在酒精溶液中超聲波清洗后放入干燥箱內(nèi)干燥24 h，然后利用電子天平(精度0.01 mg)進(jìn)行稱重，每個(gè)樣品稱量5次，去掉最大值和最小值后取平均值。利用改裝的RTEC試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展球-片恒溫往復(fù)滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，選擇25%小牛血清溶液作為潤(rùn)滑液，試驗(yàn)法向載荷為50 N，滑液溫度選擇10、20、37、46、60 ℃共5種，滑動(dòng)速度為10 mm/s，滑動(dòng)位移為5 mm，每種溫度條件下進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行1 h。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)Ti6Al7Nb合金進(jìn)行超聲波清洗，然后干燥稱質(zhì)量并計(jì)算質(zhì)量磨損量，質(zhì)量磨損量取3組平行試驗(yàn)的平均值，利用RTEC數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)讀取摩擦系數(shù)，并通過(guò)Origin軟件做成曲線，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察摩擦后磨痕的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量磨損量

圖2為不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金摩擦1 h后的質(zhì)量磨損量。由圖發(fā)現(xiàn)，10 ℃滑液潤(rùn)滑條件下Ti6Al7Nb合金的磨損量最低，僅為0.23 mg，隨著滑液溫度的上升，Ti6Al7Nb合金磨損量逐漸增大，并在60 ℃時(shí)磨損量達(dá)到最大，為0.8 mg。而在滑液溫度從37 ℃變至46 ℃的過(guò)程中，Ti6Al7Nb合金的磨損量呈倍數(shù)增大，由0.38 mg變?yōu)?.74 mg。在其它試驗(yàn)參數(shù)均相同的條件下，滑液溫度成為影響Ti6Al7Nb合金耐磨性能的唯一因素，通過(guò)對(duì)比不同溫度滑液潤(rùn)滑條件下的質(zhì)量磨損量可以客觀反映滑液溫度對(duì)Ti6Al7Nb合金耐磨性能的影響規(guī)律，滑液溫度越高，Ti6Al7Nb合金的磨損量越大，耐磨性能越差，并在滑液溫度從37 ℃變至46 ℃的過(guò)程中，Ti6Al7Nb合金的耐磨性能出現(xiàn)較大幅度的降低。

圖2 不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金的質(zhì)量磨損量Fig.2 Mass wear loss of Ti6Al7Nb alloy in synovial fluid with different temperatures

2.2 摩擦系數(shù)

圖3為不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線?；簻囟葹?0 ℃時(shí)，Ti6Al7Nb合金初始摩擦系數(shù)約為0.32，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)摩擦系數(shù)逐漸降低，當(dāng)摩擦?xí)r間為600 s左右時(shí)，摩擦系數(shù)急劇降低，僅為0.18左右，之后又緩慢增大，約1 200 s后摩擦系數(shù)保持在0.2左右趨于平穩(wěn)?；簻囟葹?0、37、46 ℃時(shí)摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線與10 ℃時(shí)趨勢(shì)一致，在滑液溫度為46 ℃時(shí)，約1 800 s后摩擦系數(shù)的波動(dòng)較為劇烈?；簻囟葹?0 ℃時(shí)，1 200 s之前摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)與其它4種溫度條件下一致，然而1 200 s之后摩擦系數(shù)并未趨于平穩(wěn)，仍在逐漸升高，到3 600 s后已升高到0.36。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，ZrO2陶瓷球與Ti6Al7Nb合金圓片處于線接觸方式，相同的法向力加載條件下接觸載荷較大，致使初始摩擦系數(shù)較大；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，球/片對(duì)磨副的接觸方式逐漸由線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，在此過(guò)程中摩擦系數(shù)逐漸降低；隨著摩擦?xí)r間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，球/片對(duì)磨副接觸方式不再發(fā)生改變，相互對(duì)磨方式趨于穩(wěn)定，摩擦系數(shù)則先增大后逐漸趨于平穩(wěn)。而對(duì)比不同溫度條件下摩擦1 200 s后的摩擦系數(shù)曲線發(fā)現(xiàn)，溫度越高，此階段摩擦系數(shù)波動(dòng)越大，特別是在滑液溫度為46 ℃和60 ℃時(shí)，波動(dòng)劇烈，在溫度為60 ℃條件下試驗(yàn)進(jìn)行3 600 s后摩擦系數(shù)仍未達(dá)到平衡，一直處于逐漸增大的趨勢(shì)。根據(jù)Lu等人[16]的研究結(jié)果，小牛血清溶液的溫度在達(dá)到40 ℃時(shí)就能產(chǎn)生蛋白質(zhì)沉淀，故46 ℃和60 ℃條件下，滑液中析出的蛋白質(zhì)沉淀參與了球/片摩擦過(guò)程，致使1 200 s后本應(yīng)平穩(wěn)的摩擦系數(shù)波動(dòng)劇烈，而溫度越高，析出的蛋白質(zhì)沉淀含量越高，對(duì)球/片摩擦過(guò)程影響更為劇烈，滑液溫度為60 ℃條件下大量蛋白質(zhì)的析出導(dǎo)致3 600 s試驗(yàn)結(jié)束后摩擦系數(shù)仍無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定。

圖3 不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Variation curves of friction coefficient with time for Ti6Al7Nb alloy in synovial fluid with different temperatures

圖4為不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金的平均摩擦系數(shù)柱狀圖。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，平均摩擦系數(shù)逐漸增大，但是在46 ℃和60 ℃條件下的平均摩擦系數(shù)相差不大，這主要是因?yàn)?6 ℃條件下摩擦后期摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn)，而60 ℃條件下的摩擦系數(shù)在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)仍然處于上升階段。結(jié)合質(zhì)量磨損量及摩擦系數(shù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小牛血清滑液溫度對(duì)Ti6Al7Nb合金的耐磨特性影響顯著，球/片對(duì)磨過(guò)程中，界面處由于摩擦作用會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱，加劇了Ti6Al7Nb合金的磨損，而滑液溫度越低越利于熱量的散失，所以在滑液溫度為10 ℃條件下的質(zhì)量磨損量及平均摩擦系數(shù)均最低，而兩者也隨著滑液溫度的升高均逐漸增大。由于小牛血清滑液溫度超過(guò)40 ℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生蛋白質(zhì)沉淀，進(jìn)而黏附于球/片摩擦界面，從而改變Ti6Al7Nb合金的磨損機(jī)理，因此在滑液溫度為46 ℃條件下摩擦系數(shù)在試驗(yàn)中后期出現(xiàn)了較大幅度的波動(dòng)，而隨著滑液溫度的再次升高，在60 ℃條件下析出蛋白質(zhì)沉淀含量也進(jìn)一步增大，對(duì)Ti6Al7Nb合金磨損機(jī)理影響更為劇烈，質(zhì)量磨損量及平均摩擦系數(shù)均產(chǎn)生了不規(guī)律的變化。

圖4 不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金的平均摩擦系數(shù)Fig.4 Average friction coefficient of Ti6Al7Nb alloy in synovial fluid with different temperatures

2.3 表面磨損形貌

圖5為不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金磨損表面的SEM照片。在滑液溫度為10、20、37 ℃條件下，Ti6Al7Nb合金的磨損形貌較為相似，磨損邊緣犁溝形貌明顯，磨損中心處局部有較深的犁溝形貌，另外近磨損端點(diǎn)處有明顯的剝落形貌。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，陶瓷球ZrO2與Ti6Al7Nb合金圓片為線接觸，合金表面磨損劇烈，產(chǎn)生大量磨屑堆積于磨痕四周，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，磨屑作為第三體磨粒參與磨損過(guò)程，導(dǎo)致磨損中心處產(chǎn)生較深的犁溝，而新產(chǎn)生的磨屑繼續(xù)向磨痕四周堆積，磨損機(jī)理主要以接觸疲勞磨損和磨粒磨損為主。邊緣區(qū)形貌有剝落現(xiàn)象，但中心處未發(fā)現(xiàn)明顯的剝落現(xiàn)象，這可能是由于球/片對(duì)磨過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱導(dǎo)致周圍接觸的滑液溫度升高，產(chǎn)生的蛋白質(zhì)沉淀黏附于磨損表面邊緣區(qū)域，并參與整個(gè)摩擦過(guò)程，致使磨損機(jī)理發(fā)生改變，產(chǎn)生明顯的粘著磨損。另外，對(duì)比圖5b、5d、5f發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，磨損中心處磨屑數(shù)量逐漸增多，表明磨損程度隨溫度升高而逐漸加重，這與質(zhì)量磨損量及平均摩擦系數(shù)結(jié)果一致?；簻囟葹?6 ℃和60 ℃時(shí)，Ti6Al7Nb合金磨損表面邊緣區(qū)域微觀形貌(圖5g、5i)較為接近，局部顏色較深，顯示有氧化現(xiàn)象，磨損區(qū)域上下邊緣處仍然顯示出明顯的犁溝形貌，但與較低溫度滑液潤(rùn)滑條件下磨損形貌(圖5a、5c、5e)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此2種溫度條件下磨損區(qū)域上下邊緣處犁溝深度較淺，且在近端點(diǎn)處磨損區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯的剝落現(xiàn)象，但存在大量的磨損產(chǎn)物堆積現(xiàn)象，這主要是由于這2種溫度滑液中有大量蛋白質(zhì)析出，并黏附于球/片對(duì)磨表面，參與整個(gè)磨損過(guò)程，邊緣區(qū)磨損機(jī)理以接觸疲勞磨損、磨粒磨損和粘著磨損為主。觀察圖5h、5j發(fā)現(xiàn)，磨損中心區(qū)域表面充斥著大量的麻坑，犁溝深度較淺且數(shù)量較少，顯示中心區(qū)磨損機(jī)理主要以粘著磨損為主。

圖5 不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金磨損表面的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM photographs of wearing surface of Ti6Al7Nb alloy in synovial fluid with different temperatures:(a,b)10 ℃；(c,d)20 ℃；(e,f)37 ℃；(g,h)46 ℃；(i,j)60 ℃

3 結(jié) 論

(1)不同滑液溫度下，Ti6Al7Nb合金的質(zhì)量磨損量及平均摩擦系數(shù)均隨著滑液溫度的升高而逐漸增大，特別在滑液溫度從37 ℃變至46 ℃的過(guò)程中，由于滑液中蛋白質(zhì)沉淀的析出改變了Ti6Al7Nb合金的磨損機(jī)理，其質(zhì)量磨損量呈倍數(shù)增大。

(2)SEM分析表明，當(dāng)滑液溫度不超過(guò)37 ℃時(shí)，磨損程度隨滑液溫度的升高而逐漸加劇，受界面摩擦熱作用影響，與磨損界面相接觸的滑液溫度急劇升高，進(jìn)而產(chǎn)生蛋白質(zhì)沉淀黏附于磨損區(qū)域邊緣，致使邊緣處磨損機(jī)理除了較明顯的接觸疲勞磨損及磨粒磨損外，還伴有明顯的粘著磨損；在滑液溫度為46 ℃和60 ℃時(shí)，生成的蛋白質(zhì)沉淀將作為邊界潤(rùn)滑劑黏附于球/片對(duì)磨表面，造成不完全邊界潤(rùn)滑條件的產(chǎn)生，磨損邊緣處磨損機(jī)理以接觸疲勞磨損、磨粒磨損和粘著磨損為主，同時(shí)磨損中心處磨損機(jī)理也主要以粘著磨損為主，磨粒磨損機(jī)理影響較弱。

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