● 摘要
钛及钛合金机械性能优异、耐腐蚀性高并且生物相容性好，被广泛应用于医学领域。近年来，完全由生物安全元素构成的β型钛合金受到人们的广泛关注，是极有潜力的生物医用形状记忆合金或超弹性合金。本文采用动电位极化法和电感耦合等离子体质谱研究了Ti-30Zr（at%）合金，Ti-19Zr-1Fe-10Nb(at%)合金和Ti-20Zr-10Nb(at%)合金的耐腐蚀性能，并通过XPS分析了表面成分和化学态，研究了合金的腐蚀机制。采用UMT摩擦磨损试验机和白光干涉仪测试了样品的摩擦磨损性能，并通过SEM和EDS分析了其表面形貌和成分，研究了其摩擦磨损机理。并在理论上计算了合金可视性随着成分的变化，为进一步实验奠定基础。结果表明：
Ti-30Zr、Ti-20Zr-10Nb合金自腐蚀电位与纯钛（-468 mV）相比分别提高了13%和 10%，而Ti-19Zr-1Fe-10Nb合金耐腐蚀性能变化不大，自腐蚀电位为-496mV。Ti-30Zr合金、Ti-20Zr-10Nb合金腐蚀性能优于纯钛。Ti-20Zr-10Nb合金与Ti-19Zr-1Fe-10Nb合金在模拟体液中浸泡后，Ti-19Zr-1Fe-10Nb合金中Fe离子溶出速率高于Zr、Nb离子溶出速率，最高溶出速率达到1.33×10-5μg/cm2/h，是Nb离子的60倍，但是仍远远小于同样条件下镍钛合金中Ni离子溶出速率。在模拟体液中浸泡49天后， Ti-19Zr-1Fe-10Nb(at%)合金Zr离子的、溶出速率是Ti-20Zr-10Nb合金的3倍，说明加入Fe元素降低了合金的耐腐蚀性能。
在干摩擦磨损条件下，纯钛和Ti-30Zr合金的摩擦系数最低，磨损率也较低，说明纯钛和Ti-30Zr合金的耐磨性能优于其他合金，Ti-19Zr-1Fe-10Nb合金摩擦系数最高，其磨损率也达到8.1×10-4mm3/Nm。Ti-20Zr-10Nb合金与Ti-19Zr-1Fe-10Nb合金差距不大。在Hank’s溶液中，Ti-20Zr-10Nb、Ti-19Zr-1Fe-10Nb合金的摩擦系数和磨损率均高于纯钛。而且，在模拟体液中，由于腐蚀和磨损的协同作用，合金的磨损加剧，纯钛受其协同作用影响最大，在模拟体液中的磨损率比干摩擦磨损高1.13倍，Ti-30Zr合金磨损率最低，为8.1×10-4mm3/Nm。在Hank’s溶液中，合金表面无法形成具有润滑作用的氧化物，溶液会被应力挤入到微裂纹中，导致表面剪切力增大，磨屑片状剥落，磨损加剧。Ti-Zr基记忆合金的耐摩擦磨损性能主要依赖于表面自发形成的氧化膜。
吸收系数理论计算表明，合金化元素Zr和Nb的加入提高了钛合金的可视性，其吸收系数最高可以达到纯钛的3倍左右。加入Ta元素对钛锆基合金吸收系数的影响大于Zr和Nb。在合金中加入3%的Ta之后合金的吸收系数即与Ti-20Zr-xNb和Ti-xZr-10Nb 合金中吸收系数的最大值相当。在Ti-20Zr-10Nb合金中，用Ta替代Ti、Nb和Zr，其吸收系数增加量差距不大，可以根据对合金力学性能的要求来选择替代合金中Ti，Zr，Nb的一种或两种。