电子束熔炼Ti-6Al-4V合金在生物医学应用中的摩擦电化学性能

《Advances in Materials Science and Engineering》：Triboelectrochemical Performance of Electron Beam–Melted Ti-6Al-4V-ELI for Biomedical Applications

钛合金表面粗糙度与磨损腐蚀行为的关系研究。

　　钛合金因其优异的物理化学稳定性、机械强度和生物相容性，广泛应用于生物材料的制造领域。特别是在医学和牙科领域，钛合金被用于制造可植入的医疗和牙科设备，因其在人体环境中表现出良好的耐腐蚀性和生物适应性。近年来，增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的发展为钛合金的生产提供了新的可能性，尤其是电子束熔融（Electron Beam Melting, EBM）技术。EBM技术通过将粉末材料在高温下熔融并逐层堆积，能够制造出复杂形状的结构，但其表面质量在一定程度上影响了材料的性能表现。因此，研究EBM加工参数对钛合金在生物环境中的行为，特别是其摩擦腐蚀（tribocorrosion）特性，具有重要的科学和工程意义。

本研究重点分析了不同扫描速度对Ti-6Al-4V-ELI合金摩擦腐蚀行为的影响。Ti-6Al-4V-ELI是一种具有优异性能的钛合金，其在生物医学领域的应用备受关注。研究采用了球盘式摩擦仪（ball-on-disk tribometer）与电化学工作站（potentiostat/galvanostat）结合的方式，对五种不同扫描速度下制造的Ti-6Al-4V-ELI试样进行了摩擦腐蚀测试。测试在25°C的Ringer’s盐水溶液中进行，施加10N的法向载荷，通过50分钟的测试周期，评估了摩擦和腐蚀的相互作用。测试过程中，首先对试样进行了10分钟的开路电位（Open Circuit Potential, OCP）监测，随后30分钟进行摩擦和电化学联合测试，最后10分钟仅进行电化学监测，以研究摩擦结束后材料的电化学行为变化。

实验结果表明，不同扫描速度制造的Ti-6Al-4V-ELI试样在摩擦腐蚀测试中表现出显著差异。在测试开始阶段，所有试样的开路电位迅速下降至?0.55至?0.75（相对于Ag/AgCl电极），随后在测试结束后逐渐恢复到更正的电位值，其中试样2和试样4的电位值恢复得最为理想。这一现象表明，试样的表面处理对摩擦腐蚀行为具有重要影响。在摩擦过程中，材料表面的氧化层可能受到破坏，从而导致电位的变化。随着摩擦的结束，氧化层重新形成，使得电位回升。这一过程反映了材料在摩擦和腐蚀环境下的动态响应，有助于理解其在生物环境中的长期行为。

在 chronoamperometry（恒电位法）测试中，不同试样表现出不同的腐蚀电流密度变化趋势。试样1和试样5的腐蚀电流密度相对较低，而试样2、3和4的腐蚀电流密度较高。这可能与试样表面的微观结构有关。试样1和试样5的表面粗糙度较高，导致在摩擦过程中更容易产生材料损失。同时，试样2、3和4在测试过程中表现出更稳定的电化学行为，其表面氧化层可能在摩擦作用下更有效地防止了金属离子的释放。这一结果表明，扫描速度不仅影响了试样的表面粗糙度，还可能通过改变微观结构和氧化行为，间接影响其摩擦腐蚀特性。

摩擦系数和摩擦力的变化也与扫描速度密切相关。在测试过程中，摩擦系数呈现出不同的演化模式。试样1和试样5在摩擦初期表现出摩擦系数的下降，随后趋于稳定；而试样2和试样4在整个测试过程中摩擦系数较为稳定，试样3则表现出一个逐渐上升的趋势。这些结果表明，表面处理对摩擦行为有显著影响，不同的表面状态可能导致摩擦系数的变化。此外，摩擦力的变化与法向载荷有关，法向载荷的降低可能伴随着摩擦系数的下降，这与已有的研究结果相吻合。

表面形貌的分析进一步揭示了摩擦腐蚀对试样表面的影响。使用共聚焦激光扫描显微镜（Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM）对试样表面的粗糙度（Ra）进行了测量，结果表明，在摩擦腐蚀测试后，试样1和试样5的Ra值显著增加，而试样2、3和4的Ra值则相对稳定。这一现象表明，摩擦作用可能加剧了表面的不平整，从而增加了材料的磨损。而试样2和试样4的表面在摩擦后表现出较好的保护性，可能与其表面氧化层的形成有关。

摩擦腐蚀行为不仅受到表面处理的影响，还与电解质的性质密切相关。Ringer’s溶液作为一种生理模拟液，既提供了腐蚀环境，也具有润滑作用。这种双重作用使得电解质在摩擦过程中扮演了重要角色。例如，某些情况下，电解质可以降低摩擦系数，从而减少磨损；而在其他情况下，它可能促进腐蚀，导致材料损失增加。因此，研究摩擦腐蚀行为时，需要综合考虑电解质的作用以及材料表面的特性。

此外，摩擦腐蚀过程中，材料的磨损和腐蚀是相互关联的。摩擦可能破坏材料表面的氧化层，使得金属暴露于腐蚀环境中，从而加速腐蚀过程。反之，腐蚀也可能导致材料表面的软化，使其更容易受到摩擦的损伤。因此，摩擦和腐蚀之间存在一种协同效应，这种效应在生物医学材料的长期性能评估中尤为重要。理解这种协同效应，有助于优化材料的加工参数，提高其在生物环境中的耐久性和安全性。

研究还发现，摩擦腐蚀测试后，试样的磨损率与表面粗糙度和电解质性质密切相关。在测试过程中，表面粗糙度的增加可能使得磨损率升高，而电解质的润滑作用则可能降低磨损率。例如，试样2、3和4的磨损率较低，这可能与其表面处理和氧化层的形成有关。而试样1和试样5的磨损率较高，可能与其较高的表面粗糙度和较低的氧化层稳定性有关。这些结果为未来优化钛合金的加工参数提供了重要的参考依据。

本研究还通过统计分析，验证了不同扫描速度对试样摩擦腐蚀行为的显著影响。使用独立样本t检验和单因素方差分析（one-way ANOVA）对实验数据进行了评估，结果表明，扫描速度的差异对摩擦和腐蚀行为具有显著影响（p < 0.05）。这些统计结果进一步支持了扫描速度对钛合金表面处理和摩擦腐蚀行为的调控作用。

综上所述，扫描速度作为EBM加工过程中的关键参数，对钛合金的表面质量和摩擦腐蚀行为具有重要影响。不同的扫描速度可能导致试样表面的微观结构和氧化层形成差异，从而影响其在生理环境中的性能表现。因此，优化扫描速度不仅有助于提高生产效率，还能改善钛合金在生物医学应用中的长期稳定性。通过进一步研究不同加工参数对材料性能的影响，可以为未来开发高性能、低成本的可植入设备提供理论依据和技术支持。