ECAP技术对β型Ti-29Nb-13Ta-4Mo合金钝化膜稳定性及耐腐蚀性能的影响机制研究

推荐 为解决传统α+β钛合金中Al和V元素潜在健康风险及弹性模量与人体骨骼不匹配的问题，研究人员通过ECAP技术对β型Ti-29Nb-13Ta-4Mo合金进行加工。结果表明，6次ECAP处理后合金形成超细晶粒结构并提升钝化膜稳定性，显著增强耐腐蚀性，为生物医用钛合金优化提供理论依据。

　　

论文解读
钛合金因其优异的生物相容性和力学性能成为植入材料的首选，但传统α+β型Ti-6Al-4V合金中的Al和V元素可能引发神经毒性和骨软化等健康风险^[8,9]。此外，其弹性模量（约110 GPa）仍显著高于人体骨骼（4–30 GPa），易导致植入物与骨组织间的力学失配^[10,11]。为解决这些问题，β型钛合金因其低弹性模量（50–70 GPa）和无毒性元素（如Nb、Ta、Mo）成为研究热点^[12-16]。然而，如何通过加工工艺提升其耐腐蚀性仍是关键挑战。

来自巴西的研究团队针对β型Ti-29Nb-13Ta-4Mo（TNTM）合金开展了系统研究。该团队采用等通道角挤压（ECAP）技术对合金进行加工，并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等技术分析微观结构演变和表面化学变化。电化学阻抗谱（EIS）和动电位极化测试表明，6次ECAP处理后合金的耐腐蚀性达到峰值。研究证实，ECAP通过细化晶粒和诱导α''相变增强了钝化膜的稳定性，其电子特性符合Mott-Schottky理论预测。该成果为开发高性能生物医用钛合金提供了重要理论支持^[1,2,3]。

研究方法
研究人员采用ECAP技术在350℃下对TNTM合金进行多道次加工，利用SEM和XRD分析微观结构演变，通过XPS表征表面化学成分，并结合EIS和动电位极化测试评估腐蚀行为，最后通过Mott-Schottky分析研究钝化膜的电子特性。

研究结果
微观结构演变
SEM观察显示，原始合金呈等轴β相晶粒结构。经2次ECAP处理后，晶粒沿横向显著拉长并形成滑移带；4次处理后晶界模糊；6次处理后形成超细晶粒并伴随α''相析出^[36]。XRD证实了相变过程与加工道次的关联性。

表面化学分析
XPS结果显示，原始合金钝化膜主要由Ti、Nb、Ta和Mo的氧化物组成。经6次ECAP处理后，钝化膜几乎完全由TiO₂构成，表明加工显著改变了表面化学组成。

腐蚀行为评估
EIS测试表明，6次ECAP处理后合金的电荷转移电阻显著提高，动电位极化曲线显示其耐腐蚀性最佳。Mott-Schottky分析证实，钝化膜的半导体特性随加工道次增加而增强，这与晶粒细化和相变密切相关。

研究结论
ECAP技术通过细化晶粒和调控相组成显著提升了TNTM合金的钝化膜稳定性和耐腐蚀性。6次ECAP处理后形成的超细晶粒结构和纯TiO₂钝化膜有效降低了活性位点密度，增强了电子传输稳定性。该研究不仅揭示了加工工艺对钛合金电化学行为的调控机制，还为开发低弹性模量、高耐腐蚀性的生物医用钛合金提供了科学依据，对提升植入物长期服役性能具有重要意义^[1,2,3]。