医用金属材料的强流脉冲电子束表面改性研究

论文摘要

医用316L不锈钢及NiTi合金是在目前生物医疗领域内应用较为广泛的两种金属材料。但是作为医用植入器械材料，其植入人体后释放的有害金属离子及其腐蚀产物都将会影响机体正常的生理功能。本文以提高两种合金的耐蚀性为楔入点，采用强流脉冲电子束技术对AISI 316L不锈钢及NiTi合金进行表面改性。分别采用各种表面分析手段，力学性能测试技术，电化学测试技术及血液相容性检测技术研究了改性后两种合金的表面性质、力学性能、腐蚀防护性及血液相容性。主要结论如下： 1、强流脉冲电子束轰击可以实现316L不锈钢表层的选择性净化，表面织构化及表面快速钛合金化，从而提高不锈钢的耐蚀性。具体阐述如下： 强流脉冲电子束轰击处理可以有效地清除316L不锈钢表层的夹杂物，从而达到净化材料表面的目的。316L不锈钢中的MnS夹杂物是轰击过程中材料表面火山坑形成的核心，其自身或界面过热喷发是火山坑的成因。随着轰击次数的增加，表层中的MnS夹杂物随喷发而逐渐减少，从而实现了脉冲电子束的表面选择净化效应。同时，电子束处理初期的表面缺陷在反复轰击过程中得到修复，即火山坑的密度随轰击次数的增加而逐渐减少，形态也逐渐由心部有孔转变为心部无孔。 电化学腐蚀测试结果表明，电子束轰击可以有效地改善316L不锈钢在体外模拟生理环境(37±1℃，Tyrode’s模拟体液)中的耐点蚀能力。其中轰击次数对不锈钢改性后的腐蚀行为有重要影响： (1) 脉冲电子束5次轰击对不锈钢的耐蚀性产生了两方面的影响：表面夹杂物的减少导致界面电容及腐蚀电流密度的降低；但同时火山坑的中心因残存MnS夹杂及孔洞而成为孔蚀的敏感位置，导致击破电位降低，钝化区间变窄。 (2) 经过20次轰击的样品具有最佳的耐蚀性，其腐蚀电流密度降至原始样品的1／15左右，极化电阻提高3个数量级。这主要归因于脉冲电子束对材料表层的选择净化效应及反复重熔对表面缺陷的修复。 发现并分析了强流脉冲电子束轰击在316L不锈钢表面诱发的织构化及各向异性形变。经电子束处理后的不锈钢表层形成了垂直于表面的〈111〉纤维织构，并且织构的强度随轰击次数的增加而增强；而电子束诱发的形变呈各向异性，即孪晶总是分布在表面〈111〉取向接近平行样品法向(ND)的晶粒内，而其他取向的晶粒内主要变形机制为位错滑移；强流脉冲电子束的轰击在亚表层的晶粒内形成了平直的小角晶界，这些小角晶界终止于晶界处，由稠密的位错组成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 生物医用金属材料的研究发展概况
• 1.1.1 生物医用金属材料概述
• 1.1.2 生物医用金属材料的特点
• 1.2 316L不锈钢与 NiTi合金在医学领域的应用
• 1.2.1 316L不锈钢
• 1.2.2 NiTi合金
• 1.3 医用金属材料表面改性研究进展
• 1.3.1 316L不锈钢的表面改性
• 1.3.2 NiTi合金的表面改性
• 1.4 强流脉冲电子束的表面改性研究进展
• 1.4.1 电子束表面改性技术的分类
• 1.4.2 电子束表面改性技术的研究现状
• 1.5 选题依据及研究内容
• 2 强流脉冲电子束设备及测试方法
• 2.1 强流脉冲电子束设备
• 2.1.1 设备组成
• 2.1.2 工作原理
• 2.1.3 工艺参数及测试
• 2.2 测试方法
• 3 316L不锈钢强流脉冲电子束表面改性及其对耐蚀性的影响
• 3.1 引言
• 3.2 样品制备与测试方法
• 3.2.1 样品制备
• 3.2.2 测试方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 表面形貌与成分分析
• 3.3.2 火山坑的形成与电子探针分析
• 3.3.3 表面净化机理分析
• 3.3.4 电化学性能
• 3.3.5 腐蚀机理分析
• 3.4 表面 Ti合金化
• 3.4.1 样品制备与测试方法
• 3.4.2 结果与讨论
• 3.5 本章小结
• 4 强流脉冲电子束对316L不锈钢微结构的改变及其力学性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 测试方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 XRD分析
• 4.3.2 表面微结构分析
• 4.3.3 截面微结构分析及 TEM分析
• 4.3.4 改性前后样品的力学性能测试
• 4.4 本章小结
• 5 NiTi合金的强流脉冲电子束表面改性
• 5.1 引言
• 5.2 样品制备与测试方法
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 表面、截面形貌及相变
• 5.3.2 表面显微结构分析
• 5.3.3 改性层的成分变化
• 5.3.4 腐蚀测试
• 5.4 讨论
• 5.4.1 选择性蒸发的物理模型及数值模拟
• 5.4.2 应力诱发的马氏体相变
• 5.4.3 耐蚀性
• 5.5 本章小结
• 6 血液相容性初探
• 6.1 引言
• 6.2 改性后样品表面亲水性评价
• 6.2.1 相关参数及测定原理
• 6.2.2 测试方法
• 6.2.3 结果与讨论
• 6.3 血液相容性评价
• 6.3.1 血液相容性评价方法
• 6.3.2 测试方法
• 6.3.3 结果与讨论
• 6.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书