王崧全, 王樹軍, 李 瑩

(1. 江蘇師范大學，江蘇 徐州 221116)(2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471039)(3.洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽 471039)

0 引 言

為治療人體關節(jié)的各類傷病，關節(jié)假體置換術是現(xiàn)今社會使用最廣，也是最有效的醫(yī)療方法，而關節(jié)假體材料的選擇一直是生物工程學界的一個研究熱點。在關節(jié)假體材料的研究過程中，所使用的金屬假體替代材料主要包括不銹鋼、CoCr基合金及鈦合金等。奧氏體不銹鋼316L是最早用于關節(jié)假體置換的金屬材料，但由于其植入人體后會產(chǎn)生間隙腐蝕、摩擦腐蝕及疲勞腐蝕等問題[1]，很快便被強度高、模量低且耐磨性與耐蝕性更為優(yōu)秀的CoCr基合金替代，直至目前，CoCrMo合金都是臨床上使用最為廣泛的關節(jié)假體置換材料，主要用于關節(jié)頭。與不銹鋼及CoCr基合金相比，鈦及鈦合金材料擁有相對密度小、彈性模量高、機械強度高及生物相容性好等特點，且其耐蝕性及抗疲勞特性更為優(yōu)越，逐漸成為外科植入體的首選材料，其中Ti6Al4V合金作為關節(jié)柄材料應用最為廣泛[2-4]。但有研究發(fā)現(xiàn)，金屬元素V具有一定的致敏性，對人體細胞具有毒性，目前傾向于使用無毒的Nb元素來替代V元素，進而開發(fā)了一些新型鈦合金材料。相較于Ti6Al4V合金，Ti6Al7Nb合金在保證了優(yōu)良的機械性能的基礎上，具有更好的耐磨性[5]、耐蝕性[6]以及更為優(yōu)越的生物活性[7]與生物相容性[8]，因此，Ti6Al7Nb合金在關節(jié)假體材料的應用中越來越廣泛[9-12]。

另有研究表明，人工關節(jié)假體在體內運行過程中，各界面(特別是關節(jié)頭/關節(jié)窩界面)由于相對運動會產(chǎn)生高于天然關節(jié)的摩擦熱，進而影響假體的耐磨性能以及周圍軟組織的生物性能，從而導致假體材料在體內的過早失效。根據(jù)Bergmann等人[13-15]的試驗與仿真研究結果，人工髖關節(jié)假體中股骨頭與髖臼界面相互摩擦會產(chǎn)生大量的熱量，一定運動模式下股骨頭表面最高溫度能夠達到43 ℃，周圍滑液溫度能夠達到46 ℃，并且隨著患者體重、運動模式等的改變，溫度還會有進一步提高。Lu等人[16]在開展髖關節(jié)假體體外摩擦試驗中發(fā)現(xiàn)，小牛血清滑液的溫度會隨著摩擦過程逐漸升高，而當滑液溫度超過40 ℃時會產(chǎn)生蛋白質沉淀，并作為邊界潤滑劑黏附于髖臼表面，造成不完全邊界潤滑條件的產(chǎn)生，進而加速假體材料的粘著磨損。由此可見，滑液溫度嚴重影響著假體材料的耐磨性能，會對假體材料體內服役壽命產(chǎn)生重要影響，但整理文獻發(fā)現(xiàn)，滑液溫度并未作為假體耐磨性能的獨立影響因素而被系統(tǒng)研究。

因此，有必要開展環(huán)境溫度對假體材料耐磨性能的影響研究，進而為預測假體材料的體內使用壽命提供一定的理論基礎。本研究通過RTEC多功能摩擦磨損試驗機開展了Ti6Al7Nb合金在不同滑液溫度條件下的摩擦試驗，通過對質量磨損量、摩擦系數(shù)及表面磨損形貌等摩擦學性能的對比分析，探討滑液溫度對Ti6Al7Nb合金耐磨性能的影響。

1 實 驗

1.1 裝置與材料

使用RTEC多功能摩擦磨損試驗機開展Ti6Al7Nb合金的摩擦試驗，通過蠕動泵調速微型水泵使下試樣夾具槽內的滑液與恒溫水浴鍋內的滑液相互循環(huán)，實現(xiàn)恒溫往復滑動摩擦試驗，裝置示意圖如圖1所示。

圖1 恒溫摩擦試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the friction test system under constant temperature

上試樣選擇ZrO2陶瓷球，規(guī)格為φ10 mm，Ra<0.01 μm；下試樣為由洛陽船舶材料研究所生產(chǎn)的鍛造Ti6Al7Nb合金制成的圓片試樣，規(guī)格為φ25 mm×3 mm，化學成分如表1所示。

表1 Ti6Al7Nb合金的化學成分(w/%)Table 1 Chemical composition of Ti6Al7Nb alloy

1.2 方法與參數(shù)

以Ti6Al7Nb合金圓片作為試驗件，以ZrO2陶瓷球作為對磨件，利用砂紙將Ti6Al7Nb合金圓片打磨至2000#，并進行表面拋光，在酒精溶液中超聲波清洗后放入干燥箱內干燥24 h，然后利用電子天平(精度0.01 mg)進行稱重，每個樣品稱量5次，去掉最大值和最小值后取平均值。利用改裝的RTEC試驗機開展球-片恒溫往復滑動摩擦試驗，選擇25%小牛血清溶液作為潤滑液，試驗法向載荷為50 N，滑液溫度選擇10、20、37、46、60 ℃共5種，滑動速度為10 mm/s，滑動位移為5 mm，每種溫度條件下進行3組平行試驗，每組試驗進行1 h。試驗結束后對Ti6Al7Nb合金進行超聲波清洗，然后干燥稱質量并計算質量磨損量，質量磨損量取3組平行試驗的平均值，利用RTEC數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)讀取摩擦系數(shù)，并通過Origin軟件做成曲線，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察摩擦后磨痕的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 質量磨損量

圖2為不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金摩擦1 h后的質量磨損量。由圖發(fā)現(xiàn)，10 ℃滑液潤滑條件下Ti6Al7Nb合金的磨損量最低，僅為0.23 mg，隨著滑液溫度的上升，Ti6Al7Nb合金磨損量逐漸增大，并在60 ℃時磨損量達到最大，為0.8 mg。而在滑液溫度從37 ℃變至46 ℃的過程中，Ti6Al7Nb合金的磨損量呈倍數(shù)增大，由0.38 mg變?yōu)?.74 mg。在其它試驗參數(shù)均相同的條件下，滑液溫度成為影響Ti6Al7Nb合金耐磨性能的唯一因素，通過對比不同溫度滑液潤滑條件下的質量磨損量可以客觀反映滑液溫度對Ti6Al7Nb合金耐磨性能的影響規(guī)律，滑液溫度越高，Ti6Al7Nb合金的磨損量越大，耐磨性能越差，并在滑液溫度從37 ℃變至46 ℃的過程中，Ti6Al7Nb合金的耐磨性能出現(xiàn)較大幅度的降低。

圖2 不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金的質量磨損量Fig.2 Mass wear loss of Ti6Al7Nb alloy in synovial fluid with different temperatures

2.2 摩擦系數(shù)

圖3為不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金的摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線?；簻囟葹?0 ℃時，Ti6Al7Nb合金初始摩擦系數(shù)約為0.32，隨著試驗時間的延長摩擦系數(shù)逐漸降低，當摩擦時間為600 s左右時，摩擦系數(shù)急劇降低，僅為0.18左右，之后又緩慢增大，約1 200 s后摩擦系數(shù)保持在0.2左右趨于平穩(wěn)?；簻囟葹?0、37、46 ℃時摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線與10 ℃時趨勢一致，在滑液溫度為46 ℃時，約1 800 s后摩擦系數(shù)的波動較為劇烈?；簻囟葹?0 ℃時，1 200 s之前摩擦系數(shù)的變化趨勢與其它4種溫度條件下一致，然而1 200 s之后摩擦系數(shù)并未趨于平穩(wěn)，仍在逐漸升高，到3 600 s后已升高到0.36。試驗開始時，ZrO2陶瓷球與Ti6Al7Nb合金圓片處于線接觸方式，相同的法向力加載條件下接觸載荷較大，致使初始摩擦系數(shù)較大；隨著時間的延長，球/片對磨副的接觸方式逐漸由線接觸轉變?yōu)槊娼佑|，在此過程中摩擦系數(shù)逐漸降低；隨著摩擦時間的進一步延長，球/片對磨副接觸方式不再發(fā)生改變，相互對磨方式趨于穩(wěn)定，摩擦系數(shù)則先增大后逐漸趨于平穩(wěn)。而對比不同溫度條件下摩擦1 200 s后的摩擦系數(shù)曲線發(fā)現(xiàn)，溫度越高，此階段摩擦系數(shù)波動越大，特別是在滑液溫度為46 ℃和60 ℃時，波動劇烈，在溫度為60 ℃條件下試驗進行3 600 s后摩擦系數(shù)仍未達到平衡，一直處于逐漸增大的趨勢。根據(jù)Lu等人[16]的研究結果，小牛血清溶液的溫度在達到40 ℃時就能產(chǎn)生蛋白質沉淀，故46 ℃和60 ℃條件下，滑液中析出的蛋白質沉淀參與了球/片摩擦過程，致使1 200 s后本應平穩(wěn)的摩擦系數(shù)波動劇烈，而溫度越高，析出的蛋白質沉淀含量越高，對球/片摩擦過程影響更為劇烈，滑液溫度為60 ℃條件下大量蛋白質的析出導致3 600 s試驗結束后摩擦系數(shù)仍無法達到穩(wěn)定。

圖3 不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線Fig.3 Variation curves of friction coefficient with time for Ti6Al7Nb alloy in synovial fluid with different temperatures

圖4為不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金的平均摩擦系數(shù)柱狀圖。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，平均摩擦系數(shù)逐漸增大，但是在46 ℃和60 ℃條件下的平均摩擦系數(shù)相差不大，這主要是因為46 ℃條件下摩擦后期摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn)，而60 ℃條件下的摩擦系數(shù)在試驗結束時仍然處于上升階段。結合質量磨損量及摩擦系數(shù)結果發(fā)現(xiàn)，小牛血清滑液溫度對Ti6Al7Nb合金的耐磨特性影響顯著，球/片對磨過程中，界面處由于摩擦作用會產(chǎn)生大量的摩擦熱，加劇了Ti6Al7Nb合金的磨損，而滑液溫度越低越利于熱量的散失，所以在滑液溫度為10 ℃條件下的質量磨損量及平均摩擦系數(shù)均最低，而兩者也隨著滑液溫度的升高均逐漸增大。由于小牛血清滑液溫度超過40 ℃時會產(chǎn)生蛋白質沉淀，進而黏附于球/片摩擦界面，從而改變Ti6Al7Nb合金的磨損機理，因此在滑液溫度為46 ℃條件下摩擦系數(shù)在試驗中后期出現(xiàn)了較大幅度的波動，而隨著滑液溫度的再次升高，在60 ℃條件下析出蛋白質沉淀含量也進一步增大，對Ti6Al7Nb合金磨損機理影響更為劇烈，質量磨損量及平均摩擦系數(shù)均產(chǎn)生了不規(guī)律的變化。

圖4 不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金的平均摩擦系數(shù)Fig.4 Average friction coefficient of Ti6Al7Nb alloy in synovial fluid with different temperatures

2.3 表面磨損形貌

圖5為不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金磨損表面的SEM照片。在滑液溫度為10、20、37 ℃條件下，Ti6Al7Nb合金的磨損形貌較為相似，磨損邊緣犁溝形貌明顯，磨損中心處局部有較深的犁溝形貌，另外近磨損端點處有明顯的剝落形貌。試驗開始時，陶瓷球ZrO2與Ti6Al7Nb合金圓片為線接觸，合金表面磨損劇烈，產(chǎn)生大量磨屑堆積于磨痕四周，隨著試驗的進行，磨屑作為第三體磨粒參與磨損過程，導致磨損中心處產(chǎn)生較深的犁溝，而新產(chǎn)生的磨屑繼續(xù)向磨痕四周堆積，磨損機理主要以接觸疲勞磨損和磨粒磨損為主。邊緣區(qū)形貌有剝落現(xiàn)象，但中心處未發(fā)現(xiàn)明顯的剝落現(xiàn)象，這可能是由于球/片對磨過程中產(chǎn)生的摩擦熱導致周圍接觸的滑液溫度升高，產(chǎn)生的蛋白質沉淀黏附于磨損表面邊緣區(qū)域，并參與整個摩擦過程，致使磨損機理發(fā)生改變，產(chǎn)生明顯的粘著磨損。另外，對比圖5b、5d、5f發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，磨損中心處磨屑數(shù)量逐漸增多，表明磨損程度隨溫度升高而逐漸加重，這與質量磨損量及平均摩擦系數(shù)結果一致?；簻囟葹?6 ℃和60 ℃時，Ti6Al7Nb合金磨損表面邊緣區(qū)域微觀形貌(圖5g、5i)較為接近，局部顏色較深，顯示有氧化現(xiàn)象，磨損區(qū)域上下邊緣處仍然顯示出明顯的犁溝形貌，但與較低溫度滑液潤滑條件下磨損形貌(圖5a、5c、5e)對比發(fā)現(xiàn)，此2種溫度條件下磨損區(qū)域上下邊緣處犁溝深度較淺，且在近端點處磨損區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯的剝落現(xiàn)象，但存在大量的磨損產(chǎn)物堆積現(xiàn)象，這主要是由于這2種溫度滑液中有大量蛋白質析出，并黏附于球/片對磨表面，參與整個磨損過程，邊緣區(qū)磨損機理以接觸疲勞磨損、磨粒磨損和粘著磨損為主。觀察圖5h、5j發(fā)現(xiàn)，磨損中心區(qū)域表面充斥著大量的麻坑，犁溝深度較淺且數(shù)量較少，顯示中心區(qū)磨損機理主要以粘著磨損為主。

圖5 不同滑液溫度下Ti6Al7Nb合金磨損表面的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM photographs of wearing surface of Ti6Al7Nb alloy in synovial fluid with different temperatures:(a,b)10 ℃；(c,d)20 ℃；(e,f)37 ℃；(g,h)46 ℃；(i,j)60 ℃

3 結 論

(1)不同滑液溫度下，Ti6Al7Nb合金的質量磨損量及平均摩擦系數(shù)均隨著滑液溫度的升高而逐漸增大，特別在滑液溫度從37 ℃變至46 ℃的過程中，由于滑液中蛋白質沉淀的析出改變了Ti6Al7Nb合金的磨損機理，其質量磨損量呈倍數(shù)增大。

(2)SEM分析表明，當滑液溫度不超過37 ℃時，磨損程度隨滑液溫度的升高而逐漸加劇，受界面摩擦熱作用影響，與磨損界面相接觸的滑液溫度急劇升高，進而產(chǎn)生蛋白質沉淀黏附于磨損區(qū)域邊緣，致使邊緣處磨損機理除了較明顯的接觸疲勞磨損及磨粒磨損外，還伴有明顯的粘著磨損；在滑液溫度為46 ℃和60 ℃時，生成的蛋白質沉淀將作為邊界潤滑劑黏附于球/片對磨表面，造成不完全邊界潤滑條件的產(chǎn)生，磨損邊緣處磨損機理以接觸疲勞磨損、磨粒磨損和粘著磨損為主，同時磨損中心處磨損機理也主要以粘著磨損為主，磨粒磨損機理影響較弱。

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