Поведение локализованной коррозии и репассивации титановых сплавов, изготовленных аддитивным способом, в моделируемых биомедицинских решениях

npj Деградация материалов, том 7, номер статьи: 44 (2023 г.) Цитировать эту статью

218 Доступов

Подробности о метриках

С использованием методов потенциодинамической поляризации, Мотта-Шоттки и истирающего электрода исследовано поведение локализованной коррозии титановых сплавов аддитивного производства (АМ). Взаимосвязь между стойкостью к локализованной коррозии и поведением репассивации титановых сплавов AM была объяснена константой вероятности выживания, основанной на модели точечных дефектов, которая описывает генерируемые кислородные вакансии и накопленные катионные вакансии, влияющие на возникновение локализованной коррозии. Локализованная коррозия может инициироваться ямами выживания при достаточных условиях разрушения пассивных пленок. Вероятность выживания постоянна означает количественное значение вероятности перехода от метастабильной ямки к устойчивой ямке для возникновения локализованной коррозии. Чем выше константа вероятности выживания титановых сплавов АМ, тем сложнее репассивация и легче возникновение локализованной коррозии.

Титановые (Ti) сплавы уже много лет используются во многих областях, таких как аэрокосмическая, морская и медицинская промышленность1,2,3. Это объясняется их высоким соотношением прочности к плотности и превосходной коррозионной стойкостью4. Выдающаяся коррозионная стойкость титановых сплавов объясняется наличием на их поверхности защитных пассивных слоев5,6. Биосовместимость пассивных пленок на сплавах Ti является важным фактором биоматериалов человеческого тела. Коммерческий чистый титан (CP Ti; α-фаза) использовался в качестве биоматериала. Однако их механическая прочность в некоторых твердых тканях и несущих частях была неудовлетворительной. Поэтому были разработаны титановые сплавы α + β-типа, такие как Ti–6Al–4V и Ti–6Al–7Nb. Хотя сплавы Ti типа α + β обладают высокой прочностью и хорошей усталостной стойкостью, содержащиеся в них элементы алюминия (Al) и ванадия (V) вызывают потенциальные проблемы, связанные с болезнью Альцгеймера, и токсичны для организма человека соответственно7. Кроме того, модуль Юнга титановых сплавов α + β-типа выше, чем у человеческих костей8. Следовательно, эффект защиты от напряжений может возникать из-за разницы в модуле Юнга между имплантатом и костью. Недавно были разработаны сплавы Ti β-типа с низким модулем для предотвращения эффекта экранирования напряжений и содержащие нетоксичные элементы, такие как Ti–13Nb–13Zr (около β) и Ti–15Mo9.

В настоящее время титановые сплавы аддитивного производства (AM) стали популярными из-за преимущества их соотношения «покупать к лету», которое составляет примерно 1/20 по сравнению с традиционными титановыми сплавами субтрактивного производства (SM)10. Процессы AM включают несколько универсальных методов, таких как направленное энерговыделение (DED), селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM)11,12. Во время процесса DED лазерный луч создает расплавленную ванну. Порошковые материалы подаются с помощью газообразного аргона (Ar) и локально впрыскиваются для плавления и затвердевания в шарик. DED имеет более высокую степень свободы в выборе состава, чем два других метода, поскольку он может одновременно подавать порошок. И наоборот, поскольку SLM и EBM представляют собой процессы плавления в порошковом слое, металлические порошки равномерно распределяются по платформам с помощью граблей, в отличие от DED. Процесс SLM может контролировать более тонкие слои, чем процесс DED, тогда как процесс EBM обеспечивает более высокую скорость построения, чем процесс DED.

С механической точки зрения прочность и пластичность сплавов AM Ti сравнимы или даже превосходят прочность и пластичность методов SM13,14,15. Однако сплавы AM Ti имеют более низкую коррозионную стойкость, чем сплавы SM Ti, из-за анизотропии, вызванной направлением укладки, и быстрого затвердевания мартенситной фазы16,17. Сплавы SM Ti (типа α или α + β) имеют микроструктуру, состоящую из фаз α или α + β, тогда как сплавы AM Ti содержат мартенситные α'-фазы18. Мартенситная α'-фаза нестабильна и значительно снижает коррозионную стойкость сплавов AM Ti19. Дай и др.20 исследовали коррозионное поведение сплавов AM Ti–6Al–4V и обнаружили, что чем выше доля игольчатой ​​мартенситной α'-фазы, тем слабее образование более слабого пассивного слоя. Со и Ли21,22,23 исследовали стойкость к однородной и локализованной коррозии сплавов AM Ti–6Al–4V с использованием потенциодинамической поляризации, электрохимической импедансной спектроскопии (EIS), электрохимической критической температуры питтинговой коррозии и электрохимической критической температуры локализованной коррозии24. Они обнаружили, что снижение локализованной коррозионной стойкости сплавов AM Ti вызвано образованием мартенситных α'-фаз и их распределением.