本发明专利技术涉及表面处理技术领域，具体为一种提高医用β型钛合金表面耐腐蚀性的电化学处理方法。在医用β型钛合金表面制备复合氧化物非晶膜层，包括对钛合金表面的阴极极化和阳极钝化；首先，通过对钛合金表面阴极极化，去除合金表面在空气中自发形成的氧化膜和上面附着的尘埃污染物；然后，进行阳极钝化生成稳定而致密的复合氧化物非晶膜层。本发明专利技术适用富于含Nb、Zr等元素的β型医用钛合金，制备的钝化膜呈非晶态，表面具有很高的耐蚀性、致密性和稳定性，具有很好的生物相容性；同时，所制备的氧化膜层通过化学及电化学原理直接生成于基体，有利于增强基体与氧化层间的结合力；不受基材形状的限制，可在形状复杂的基体上制备均匀的钝化膜。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及表面处理
，具体为。
技术介绍
钛是第二次世界大战以后登上世界工业舞台的年轻金属，是金属材料王国中的一颗新星。钛性能优良，储量丰富，从工业价值、资源寿命和发展前景看，它仅次于铁、铝，被誉为正在崛起的“第三金属”。大量的基础工作和临床研究表明，由于钛及钛合金具有高强度和低弹性模量的特殊性能，以及良好的生物相容性、耐腐蚀性能和良好的机械性能，使得它们在矫形外科和骨科中具有广阔的发展前景。 植入人体的医疗器械所工作的生物体环境是一个非常复杂的物理、化学环境，除了含有体液、有机大分子、酶、自由基、细胞等多种成分外，还存在不同浓度的Cl离子、F离子等具有较强侵蚀性的离子；在口腔等特殊环境中，PH值会在3. 2-7.3较宽的强酸性-弱酸性-中性区间内变化。任何金属或合金长期置于体液环境中都会发生腐蚀，钛合金也不例外，而合金的钝化膜是保护合金基体的重要屏障，同时也是保证合金优异的生物相容性的第一步，其性能对于合金的耐蚀性具有决定性的作用。因此，对钛合金表面进行表面处理，控制氧化膜的厚度和成分，提高其表面氧化膜的致密性、稳定性，从而使合金耐蚀性和生物相容性增强，对其在医疗上的应用起着至关重要的作用，对医用钛合金的表面进行改性成为研究重点。医用β型钛合金作为第三代钛合金中研究得较为深入的合金代表，与一代、二代医用钛合金相比，第三代医用钛合金中不再添加对身体有害的V、Al等元素，取而代之的是对身体不毒害，且能提高合金性能的Nb、Zr、Mo、Ta、Sn等元素，使得添加后的合金具有更高的拉伸强度、断裂韧性，更好的耐磨损性能。钛合金是一种惰性金属，其在空气中会自发形成一层疏松不够致密的氧化膜。与未添加这些元素的钛合金相比，第三代医用β型钛合金由于复合添加了 Zr、Nb、Sn等元素后的合金表面氧化膜中形成了 ZO2、Nb2O5、SnO2，使得氧化膜的致密度增加耐腐蚀性增加。因此，控制氧化膜的生成条件，制备出更厚、更致密、更稳定的氧化膜成为提高第三代医用β型钛合金表面耐蚀性的有效方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，其工艺方法简单、成本低廉，在富含Nb、Zr等元素医用β型钛合金表面制备耐体液腐蚀的复合氧化物非晶膜层，该方法可大大提高富含Nb、Zr等元素医用β型钛合金的表面耐蚀性。本专利技术的技术方案是，在富含Nb、Zr、Sn之一种或两种以上合金元素的医用β型钛合金表面制备复合氧化物非晶膜层，包括对钛合金表面的阴极极化和阳极钝化；首先，通过对钛合金表面阴极极化，去除合金表面在空气中自发形成的极薄(<5nm)且不够致密的氧化膜和上面附着的尘埃等污染物；然后，进行较长时间的阳极钝化生成稳定而致密的复合氧化物非晶膜层。所述的提高医用β型钛合金表面耐腐蚀性的电化学处理方法，医用β型钛合金为T1-Nb-Zr-Sn合金时，通过对钛合金进行阴极极化和阳极钝化，在其表面生成T1-Nb-Zr-Sn多元非晶态的复合氧化物钝化膜；内层是T1、Nb、Zr、Sn各元素对应的未满价氧化物构成的复合氧化物钝化膜层，含量及氧化物所含金属元素价态由外到内逐渐变小，呈梯度变化，厚度为4-18nm ;外层为厚度l_2nm的T1、Nb、Zr、Sn满价氧化物层，复合氧化物钝化膜的成分为Ti02、Ti203、Ti0、Nb205、Nb0、Sn02、Zr02，各元素含量和氧化物所对应的价态由外到内逐渐变小，呈梯度变化。如图10所示，本专利技术中各元素含量及氧化物所含金属元素价态的梯度变化形成机理是根据Macdonald的第二代点缺陷模型理论(PDM-1I )，金属/氧化膜界面和氧化膜/溶液界面的反应式分别为(I)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)和(7)。氧化膜形成过程中，阳离子空位在氧化膜/溶液界面处产生，在金属/氧化膜界面处被消耗，而氧空位则相反。因此，阳离子空位从氧化膜/溶液界面处向金属/氧化膜界面处迁移，阴离子空位则相反，而氧空位的迁移导致了氧化膜的生长。反应式中m-金属m中的金属原子；—氧化膜点阵中的金属阳离子空位；Mf+—氧化膜点阵中的阴离子间隙；Vn—氧化膜点阵中的氧阴离子空位；M5 +(aq)——氧化膜/溶液界面处的阳离子；Mm——氧化膜中金属位置的金属原子；O0——氧化膜中氧位置的氧原子；MOzl2——按照化学计量比所形成的氧化物；在氧化膜增厚的过程中，由于氧化膜的生长受到金属阳离子空位和氧阴离子空位在金属/氧化膜界面和氧化膜/溶液界面之间的氧化膜中的迁移控制，氧化膜中阳离子空位的迁移引起金属的溶解，最终导致氧化膜向基体方向生长。由于电解液中离子的扩散随着氧化膜厚度的增加而变慢，引起电流密度逐渐下降。电流密度下降后，氧化反应的电子交换受到影响，引起氧化膜中阳离子空位价态X的降低，得到低价态的金属阳离子Mx+。随着氧化膜厚度的增加，形成具有低价态的氧化物如Ti203、TiO、NbO2和NbO。而在氧化膜表面l-2nm范围内，由于氧得到充分扩散，则形成满价的稳定氧化物TiO2、Nb2O5、SnO2、ZrO2，从而使得合金基体上形成的氧化膜组分呈现梯度变化。所述的阴极极化过程如下在设定温度下，采用三电极体系，将医用β型钛合金作为工作电极，尺寸为2. 5cmX2. 5cm的钼片为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极，置 于电解池中；加入电解液后，静置O. 5-2h，待体系稳定后，采用电化学工作站的恒电位极化模式的方法对医用β型钛合金作处理；所述电解液以NaCl为电解质，电解液浓度为O. 5-5wt%，温度为20-50°C ;电压范围为-2V至0V，氧化时间为l_30min。所述的提高医用β型钛合金表面耐腐蚀性的电化学处理方法，在相同的阴极极化电位下，随着极化时间增加，医用β型钛合金在空气中自发形成的极薄(<5nm)而不够致密的氧化膜将逐渐溶解，将新鲜的含有T1、Nb、Zr、Sn等元素的医用β型钛合金基体表面裸露出来。所述的提高医用β型钛合金表面耐腐蚀性的电化学处理方法，对阴极极化处理后的钛合金表面进行阳极钝化，所述的阳极钝化过程如下在设定温度下，采用三电极体系，将医用β型钛合金作为工作电极，尺寸为2. 5cmX2. 5cm的钼片为辅助电极，饱和甘萊电极作为参比电极，置于电解池中；加入电解液后，静置O. 5-2h,待体系稳定后,米用电化学工作站的恒电位极化模式的方法对医用β型钛合金作处理，在其表面生成厚度为5-20nm的复合氧化物钝化膜层；所述电解液以NaCl为电解质，电解液浓度为O. 5_5Wt%，电压范围为OV至3V，时间为O. 5-5小时；过程中，温度为20-50°C，环境温度保持稳定。所述的提高医用β型钛合金表面耐腐蚀性的电化学处理方法，在恒定的钝化电位下，随着钝化时间的增加，没有氧化膜覆盖的(已经去除氧化膜的)新鲜裸露的医用β型 钛合金表面将被重新氧化，逐渐生成新鲜的稳定而致密的钝化层，且新生成的钝化膜呈非晶态，膜内氧化物价态由外到内逐渐变小，呈梯度变化。所述的提高医用β型钛合金表面耐腐蚀性的电化学处理方法，医用β型钛合金为T1-Nb-Zr-Sn合金时，从最外层的满价氧化物TiO2、Nb2O5、ZrO2和SnO2逐渐向未满价的氧化物转变，并最终过渡到基体，厚度为5-20nm，达到原来自发形成的氧化膜的3_5倍。本专利技术中，在本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种提高医用β型钛合金表面耐腐蚀性的电化学处理方法，其特征在于：在富含Nb、Zr、Sn之一种或两种以上合金元素的医用β型钛合金表面制备复合氧化物非晶膜层，包括对钛合金表面的阴极极化和阳极钝化；首先，通过对钛合金表面阴极极化，去除合金表面在空气中自发形成的氧化膜和上面附着的尘埃污染物；然后，进行阳极钝化生成稳定而致密的复合氧化物非晶膜层。
【技术特征摘要】
1.一种提高医用3型钛合金表面耐腐蚀性的电化学处理方法，其特征在干在富含Nb、Zr、Sn之ー种或两种以上合金元素的医用3型钛合金表面制备复合氧化物非晶膜层，包括对钛合金表面的阴极极化和阳极钝化；首先，通过对钛合金表面阴极极化，去除合金表面在空气中自发形成的氧化膜和上面附着的尘埃污染物；然后，进行阳极钝化生成稳定而致密的复合氧化物非晶膜层。2.按照权利要求1所述的提高医用3型钛合金表面耐腐蚀性的电化学处理方法，其特征在于，医用P型钛合金为T1-Nb-Zr-Sn合金时，通过对钛合金进行阴极极化和阳极钝化，在其表面生成T1-Nb-Zr-Sn多元非晶态的复合氧化物钝化膜；内层是T1、Nb、Zr、Sn各元素对应的未满价氧化物构成的复合氧化物钝化膜层，含量及氧化物所含金属元素价态由外到内逐渐变小，呈梯度变化，厚度为4-18nm ;外层为厚度l_2nm的T1、Nb、Zr、Sn满价氧化物层，复合氧化物钝化膜的成分为Ti02、Ti203、TiO、Nb2O5、NbO2、NbO、SnO2, ZrO2,各元素含量和氧化物所对应的价态由外到内逐渐变小，呈梯度变化。3.按照权利要求1或2所述的提高医用P型钛合金表面耐腐蚀性的电化学处理方法，其特征在于，所述的阴极极化过程如下在设定温度下，采用三电极体系，将医用P型钛合金作为工作电极，钼片为辅助电极，饱和甘汞电极作为參比电极，置于电解池中；加入电解液后，静置0.5-2h，待体系稳定后，采用电化学工作站的恒电位极化模式的方法对医用3型钛合金作处理；所述电解液以NaCl为电解质，电解液浓度为0. 5-5wt%，温度为20_50°C ；电压范围为-2V至0V，...
【专利技术属性】
技术研发人员：李季，李述军，侯文韬，郝玉琳，杨锐，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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