鎳鈦形狀記憶合金表面微弧氧化膜的制備及性能

曲凌輝，孟建兵，張宏偉，董小娟，李麗，王帥柯，關(guān)慶義，魏修亭

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

鎳鈦形狀記憶合金是最早使用的一批超彈性記憶合金之一[1-2]，除了擁有極好的形狀記憶特性以外，還具有20%以上的伸縮率、高達(dá)107的疲勞壽命、10倍于普通彈簧的阻尼特性，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、器械鏈接以及生物醫(yī)療領(lǐng)域[3-4]。特別是在醫(yī)療領(lǐng)域，具有感溫特性的鎳鈦合金成為理想的生物合金材料之一，常用來(lái)制作血管支架、導(dǎo)管導(dǎo)絲、骨科釘、頜面固定用釘、牙齒矯正絲等[5-6]。然而自身生物相容性差以及鎳離子過(guò)量釋放對(duì)人體的危害性限制了它的推廣和使用[7-8]。眾所周知，金屬離子的釋放取決于材料的腐蝕或金屬表面離子的浸出[9]。因此，合適的表面改性技術(shù)對(duì)提高鎳鈦形狀記憶合金的耐蝕性、減少鎳在表面的含量具有重要意義。

近年來(lái)已經(jīng)發(fā)展了各種鎳鈦形狀記憶合金的表面改性技術(shù)，如陽(yáng)極氧化[10]、離子注入[11]、電鍍[12]、溶膠凝膠[13]等。但這些方法都有自身的優(yōu)點(diǎn)和局限性：陽(yáng)極氧化可以在表面生成一層較致密的膜層，在一定程度上改善生物相容性，但是膜層太薄而無(wú)法有效抑制鎳離子的釋放；離子注入可以在一定程度上改變表面元素組成，但是無(wú)法有效提高生物相容性；電鍍可以在表面生成致密的膜層，避免鎳離子的暴露，但是存在污染、耗時(shí)長(zhǎng)以及成本問(wèn)題；溶膠凝膠法以附著的方式形成了具有良好生物相容性以及耐蝕性的涂層，但是涂層結(jié)合不牢靠，易脫落。

與上述方法相比，微弧氧化(MAO)技術(shù)通過(guò)瞬時(shí)火花放電在閥金屬或合金表面生成以基體金屬氧化物為主并輔以電解液成分的致密氧化膜，可以賦予材料更好的力學(xué)性能[14]。微弧氧化膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度更高，耐蝕性和耐磨性更突出，而且電解產(chǎn)物安全、無(wú)污染，操作簡(jiǎn)便，是一種綠色表面改性技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于鎂、鋁、鈦等金屬或合金的表面防護(hù)與改性[15-16]。然而對(duì)于鎳鈦形狀記憶合金來(lái)說(shuō)，由于鎳元素不屬于閥金屬，在微弧氧化初期較難形成致密的絕緣膜，當(dāng)前這一方面的研究還比較少，主要側(cè)重于電解液體系的建立以及工藝參數(shù)對(duì)氧化膜層形貌、成分和力學(xué)性能的影響[17-18]。

本文針對(duì)鎳鈦形狀記憶合金鈦元素含量低、鎳元素含量高的特點(diǎn)，建立了適用的微弧氧化電解液體系，研究了氧化電壓、氧化電流、脈沖頻率、氧化時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)氧化膜性能的影響，并以降低鎳元素含量為主要目標(biāo)優(yōu)化了微弧氧化參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

采用蘇州海川稀有金屬材料有限公司的鎳鈦形狀記憶合金(TiNi-01)，商家提供的組成(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，后同)為：Ni 56.3800%，O 0.0410%，N 0.0014%，H 0.0009%，Ti余量。借助電火花線切割加工(WEDM)將其制成30 mm × 20 mm × 2 mm的試樣。

預(yù)處理工藝為：依次用400、600、800和1 200目的砂紙對(duì)試樣進(jìn)行打磨拋光，直至表面粗糙度低于0.2 μm；再依次放入丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水中超聲(頻率40 kHz)清洗15 min；然后用10 g/L氫氧化鈉溶液進(jìn)行室溫活化處理，時(shí)間2 min；最后用去離子水清洗并冷風(fēng)吹干，備用。

1.2 微弧氧化膜的制備

通過(guò)前期單因素試驗(yàn)，初步構(gòu)建了以鋁酸鈉(NaAlO2)、乙二胺四乙酸二鈉(C10H14N2Na2O8)為主要成分的適用于鎳鈦形狀記憶合金微弧氧化的電解液，同時(shí)為了保證氧化膜的生物相容性，在電解液中添加適量的十二水合磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O)。把鎳鈦形狀記憶合金試樣浸入含NaAlO20.10 mol/L、C10H14N2Na2O80.01 mol/L和Na2HPO4·12H2O 0.01 mol/L的電解液(pH 11.7～12.3，溫度30～40 °C)中，以濟(jì)南能華NHYWYDM750-5型直流脈沖電源在恒壓模式下對(duì)合金試樣進(jìn)行微弧氧化處理，合金試樣接陽(yáng)極，100 mm × 100 mm的304不銹鋼板接陰極，采用循環(huán)水冷系統(tǒng)和攪拌器保證電解液溫度恒定和濃度均勻，如圖1所示。工藝參數(shù)為：氧化電壓200～400 V，氧化電流1～3 A，脈沖頻率200～400 Hz，氧化時(shí)間5～15 min。試驗(yàn)結(jié)束后用去離子水清洗試樣，自然晾干備用。

圖1 微弧氧化裝置示意圖 Figure 1 Schematic diagram of micro-arc oxidation device

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

因?yàn)殒団佇螤钣洃浐辖鸷?0%左右的鎳元素，而且鎳不同于鋁、鎂、鈦等閥金屬，所以該合金的微弧氧化顯然有別于閥金屬。根據(jù)氧化膜耐蝕性、親水性和鎳離子釋放的抑制性要求，以氧化膜的腐蝕電位(φcorr)、表面潤(rùn)濕性和鎳元素含量為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為確定微弧氧化的條件設(shè)計(jì)了L9(34)正交試驗(yàn)表，見(jiàn)表1。

表1 微弧氧化正交試驗(yàn)因素和水平 Table 1 Factors and their levels in orthogonal test for micro-arc oxidation

1.4 表征與性能測(cè)試

采用美國(guó)FEI公司的Quanta 250型場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)觀察氧化膜的表層和亞表層形貌，同時(shí)用其自帶的能譜儀(EDS)分析氧化膜的元素含量。

借助德國(guó)DataPhysics公司的視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量氧化膜的水接觸角，以評(píng)價(jià)其親水性。測(cè)量時(shí)水滴體積為5 μL，分別在5個(gè)隨機(jī)位置進(jìn)行測(cè)量，取平均值作為最終結(jié)果。

通過(guò)上海辰華公司的CHI660E電化學(xué)工作站測(cè)試氧化膜的耐蝕性。合金試樣(暴露面積為4 cm2)、飽和甘汞電極(SCE)和鉑電極分別為工作電極、參比電極和輔助電極。介質(zhì)是Hank’s模擬體液(由8.00 g/L NaCl、0.14 g/L CaCl2、0.35 g/L NaHCO3、0.40 g/L KCl、1.00 g/L C6H12O6、0.06 g/L MgSO4·7H2O、0.06 g/L Na2HPO4·12H2O、0.06 g/L KH2PO4和0.10 g/L MgCl2·6H2O)，其pH為7.5，溫度37 °C，動(dòng)電位極化掃描速率為1 mV/s，電位范圍為?0.75～0.50 V。

將試樣浸泡在模擬體液里不同時(shí)間，通過(guò)金相顯微鏡觀察其表面腐蝕情況。

把鎳鈦形狀記憶合金試樣浸入Hank’s模擬體液中靜置不同時(shí)間，再取出20 mL Hank’s模擬體液進(jìn)行稀釋，借助電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定鎳離子的釋放量，以評(píng)價(jià)合金試樣的生物相容性。

2 結(jié)果與討論

2.1 參數(shù)優(yōu)化

正交試驗(yàn)和極差分析結(jié)果分別如表2、表3和表4所示。對(duì)鎳元素含量而言，抑制氧化膜鎳元素含量的因素主次為A > C > B > D，最佳工藝參數(shù)組合為A1B3C3D2，即氧化電壓400 V、氧化電流1 A、脈沖頻率200 Hz、氧化時(shí)間10 min。對(duì)腐蝕電位而言，影響它的因素主次為A > D > B > C，最佳工藝參數(shù)組合為A1B2C1D3，即氧化電壓400 V、氧化電流2 A、脈沖頻率400 Hz、氧化時(shí)間15 min。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果 Table 2 Result of orthogonal test

表3 鎳元素含量極差分析 Table 3 Range analysis for nickel content （單位：%）

表4 腐蝕電位極差分析 Table 4 Range analysis for corrosion potential （單位：V）

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

鎳鈦形狀記憶合金如果植入人體，必須把降低表面鎳離子的含量放在首位，避免過(guò)量引發(fā)人體過(guò)敏反應(yīng)和組織壞死；其次，需要增強(qiáng)植入物表面的腐蝕電位，阻止體液腐蝕引起的鎳離子釋放問(wèn)題；再次，改善植入物表面的潤(rùn)濕性能，這是因?yàn)楸砻嬗H水性越強(qiáng)，越有助于內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)和白蛋白的吸附，從而有利于增強(qiáng)生物相容性。在此基礎(chǔ)上，參考鎳元素含量和腐蝕電位的極差分析結(jié)果，最終確定以鎳元素含量的降低和腐蝕電位的升高為主要目標(biāo)，兼顧表面親水性，優(yōu)選出以下工藝參數(shù)：氧化電壓400 V，氧化電流2 A，脈沖頻率200 Hz，氧化時(shí)間15 min。后續(xù)按照上述最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行鎳鈦形狀記憶合金的微弧氧化，并對(duì)膜層微觀形貌、化學(xué)組分、耐蝕性和親水性進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2.1 表面形貌

從圖2可見(jiàn)，所得微弧氧化膜呈典型的“火山口”形貌，而“火山口”結(jié)構(gòu)之間，膜層表面較為平整。在放大10 000倍之下可以觀察到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而在20 000倍下，“火山口”孔洞里面存在若干小孔，部分孔洞之間相互勾連。此外，“火山口”孔洞周圍覆蓋著一些堆積物。這是由于在微弧氧化過(guò)程中，合金試件與電解液接觸界面在高電壓作用下被擊穿，產(chǎn)生放電等離子體和其他活性物質(zhì)。激發(fā)態(tài)活性物質(zhì)與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氧化物在瞬時(shí)高溫高壓的作用下從放電通道內(nèi)快速噴射而出，形成“火山口”形貌；而噴出的熔融物在電解液的冷卻作用下快速凝結(jié)成陶瓷膜層，覆蓋在“火山口”周圍。

圖2 微弧氧化膜不同放大倍數(shù)下的表面形貌 Figure 2 Surface morphologies of micro-arc oxidation film under different magnifications

利用膜層耐磨性較好的特性，對(duì)氧化后的試件進(jìn)行了不同程度的砂紙打磨，通過(guò)控制打磨時(shí)間得到內(nèi)層形貌。由于脫落的磨料可能會(huì)粘附在內(nèi)層上，因此把打磨后的試樣置于去離子水中進(jìn)行20 min超聲清洗，再對(duì)其進(jìn)行SEM和EDS表征。由圖3可知，微弧氧化膜內(nèi)層無(wú)“火山口”狀孔洞和明顯裂紋?；w被致密的陶瓷氧化層均勻覆蓋，這對(duì)防止鎳離子的釋放和外部液體中腐蝕離子的侵入具有顯著的隔離作用。從圖2和圖3可見(jiàn)，所得微弧氧化膜具有外層多孔、內(nèi)層致密的特點(diǎn)。其中致密的陶瓷氧化膜內(nèi)層能夠有效抑制鎳元素的釋放，并增強(qiáng)鎳鈦合金的耐蝕性。雖然外層存在大量微孔，會(huì)削弱微弧氧化膜的耐腐蝕能力，但從構(gòu)建自修復(fù)表面的角度來(lái)看，可以把緩蝕劑儲(chǔ)存在外層多孔結(jié)構(gòu)中并進(jìn)行封孔處理；一旦表層被破壞，緩蝕劑將得到釋放，從而提高膜層的耐久性。

圖3 微弧氧化膜內(nèi)層不同放大倍數(shù)下的表面形貌 Figure 3 Surface morphologies of sub-layer of micro-arc oxidation film under different magnifications

2.2.2 表面成分

從圖4可知，鎳鈦形狀記憶合金試件表面主要由Ni、Ti、C等元素組成。其中鎳和鈦的含量分別為52.69%和45.74%，這2種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和超過(guò)98%，碳含量?jī)H1.56%。

圖4 NiTi合金預(yù)處理后微弧氧化前的表面成分分析 Figure 4 Elemental analysis of pretreated NiTi alloy surface before micro-arc oxidation

從圖5可見(jiàn)，氧化膜層表面由O、Al、C、Ti、Ni、P等元素組成。Ni和Ti元素來(lái)源于鎳鈦合金基體，而O、Al和P來(lái)源于電解液。O和Al這2種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為38.97%和25.13%，總計(jì)達(dá)到74.1%，占主要地位。P和C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.46%和19.66%。而Ni和Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.26%和5.45%，相比微弧氧化前各下降90%和88%。這是因?yàn)?，在放電通道局部高溫高壓作用下，等離子體瞬間熔化合金基體中的Ti，Ti熔體被氧化的同時(shí)，捕捉界面周圍的Al、P、C離子，發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，并一起快速凝固。對(duì)比圖4和圖5可以看出，Al、O等元素顯著增加，主要以陶瓷氧化物的形式存在。生成的陶瓷氧化膜層不僅有利于抑制Ni元素的釋放，還能阻擋外來(lái)腐蝕離子的侵入。而圖5中急劇下降的Ni元素含量證實(shí)了微弧氧化膜層對(duì)鎳離子析出有屏蔽作用。

圖5 NiTi合金微弧氧化后的表面成分分析 Figure 5 Elemental analysis of NiTi alloy surface after micro-arc oxidation

2.2.3 保護(hù)效果

從圖6可見(jiàn)，與合金基材相比，微弧氧化后的合金表面的極化曲線向上和向右均產(chǎn)生了偏移，即氧化膜的腐蝕電位和腐蝕電流密度(jcorr)分別呈現(xiàn)明顯的上升和降低趨勢(shì)。借助Tafel外推法對(duì)極化曲線進(jìn)行擬合與計(jì)算，得到微弧氧化前的φcorr和jcorr分別為?0.627 9 V和4.28 × 10?4A/cm2，氧化膜的φcorr和jcorr則分別為?0.040 6 V和2.78 × 10?6A/cm2。比較發(fā)現(xiàn)，氧化膜的φcorr更正，jcorr降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)，可見(jiàn) 它的存在對(duì)合金基體具有良好的保護(hù)作用，免于界面接觸處受到外部液體的侵蝕。這表明微弧氧化技術(shù)可以顯著改善鎳鈦形狀記憶合金的耐蝕性。

圖6 NiTi合金微弧氧化前后在Hank’s模擬體液中的 動(dòng)電位極化曲線 Figure 6 Potentiodynamic polarization curves of NiTi alloy with and without micro-arc oxidation in Hank’s simulated body fluid

從圖7可知，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，未經(jīng)微弧氧化處理的NiTi合金試件的Ni離子釋放量不斷增多；微弧氧化后的NiTi合金試樣浸泡相同時(shí)間，其Ni離子的釋放量都比較低。此外，浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)并沒(méi)有明顯改變?cè)撗趸さ逆囯x子釋放趨勢(shì)?？梢?jiàn)鎳鈦形狀記憶合金微弧氧化生成的膜層不易被Hank’s模擬體液腐蝕，能有效抑制鎳離子的釋放。

圖7 NiTi合金微弧氧化前后浸泡在Hank’s模擬體液中 不同時(shí)間后的Ni離子釋放量 Figure 7 Release amount of NiTi alloy with and without micro-arc oxidation after being immersed in Hank’s simulated body fluid for different time

從圖8可見(jiàn)，浸泡了2 d的試件表面均無(wú)明顯腐蝕痕跡。4 d之后，未經(jīng)處理的NiTi合金表面出現(xiàn)了少量暗綠色的腐蝕痕跡，腐蝕沿著金屬表面的缺陷和裂紋擴(kuò)展；而經(jīng)過(guò)微弧氧化處理的試件表面此時(shí)仍沒(méi)有明顯的腐蝕痕跡。浸泡6 d之后，未經(jīng)處理的試件表面產(chǎn)生的腐蝕開(kāi)始逐漸接連，形成較大塊的腐蝕；此時(shí)微弧氧化試件表面出現(xiàn)了少量被腐蝕的痕跡。8 d之后，未經(jīng)處理的NiTi合金表面腐蝕進(jìn)一步擴(kuò)展，形成了大塊的腐蝕缺陷；而微弧氧化試件的腐蝕也稍有增加，但并不明顯。經(jīng)過(guò)10 d浸泡，未經(jīng)處理的試件表面已經(jīng)生成大量黑色和彩色的腐蝕膜；微弧氧化試件的腐蝕稍見(jiàn)擴(kuò)大，并有所連結(jié)，但整體腐蝕區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未經(jīng)處理的合金試樣。經(jīng)過(guò)微弧氧化反應(yīng)的NiTi合金在發(fā)生腐蝕的時(shí)間上比未經(jīng)處理的要晚2 d，同時(shí)腐蝕擴(kuò)展的速率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未經(jīng)處理的合金，充分說(shuō)明了所制微弧氧化膜在模擬體液中具有良好的耐蝕性。

圖8 NiTi合金微弧氧化前后在Hank’s模擬體液中浸泡不同時(shí)間后的形貌 Figure 8 Appearance of NiTi alloy with and without micro-arc oxidation after being immersed in Hank’s simulated body fluid for different time

2.2.4 親水性

水接觸角是評(píng)價(jià)膜層表面親水性和表面能的重要指標(biāo)，水接觸角越小，則膜層的親水性越好[19]。從圖9可見(jiàn)，微弧氧化處理前，合金試件表面的水接觸角約為63°，親水性較差，而微弧氧化后，合金試件表面的水接觸角約為5°，與基體相比下降了92%，親水性顯著提高。親水性越好越有利于提高生物相容性[20]，這是因?yàn)椋鹤鳛橹踩胛锏逆団佇螤钣洃浐辖?，與人體組織接觸時(shí)，表面越親水就越能抑制內(nèi)膜增生，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)；另外，鎳鈦合金氧化膜層的親水性能可加快白蛋白的吸附，同時(shí)預(yù)防或降低血小板的聚集，從而增強(qiáng)植入物的血液相容性。

圖9 NiTi合金表面微弧氧化前(a)后(b)的水接觸角 Figure 9 Water contact angles of NiTi alloy before (a) and after (b) micro-arc oxidation

3 結(jié)論

用以NaAlO2、C10H14N2Na2O8、Na2HPO4·12H2O為主的電解液通過(guò)微弧氧化在NiTi合金表面制得了外層多孔、內(nèi)層致密的陶瓷氧化膜。該氧化膜的Ni含量減小了90%，O、Al的含量分別上升至38.97%和25.13%，腐蝕電位正移，腐蝕電流下降2個(gè)數(shù)量級(jí)，水接觸角從63°降至5°，耐蝕、親水、生物相容等性能得到有效提高，Ni離子的含量得到明顯抑制，更有利于改善鎳鈦形狀記憶合金植入物的生物相容性。