熱處理對鎳鈦合金表面性能的影響

周劍杰 馬鳳倉 劉平 劉新寬

摘要：采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）、原子力顯微鏡（atomic forcemicroscope，AFM）及電化學工作站等儀器，研究退火溫度和時間對鎳鈦合金表面形貌、表面粗糙度以及耐腐蝕性能的影響。從SEM和AFM分析結果可知，在400-600℃退火溫度內，隨著退火溫度升高，鎳鈦合金表面先產生小顆粒，最后這些小顆粒連接形成片狀形貌，而表面粗糙度隨著溫度升高呈現增大趨勢。改變退火時間時，表面形貌的變化趨勢基本和處理溫度相似，表面粗糙度在退火時間15min時最小。用電化學工作站測試得到極化曲線，表明退火溫度400℃和500℃時試樣有較好的耐腐蝕性能。短時保溫易獲得良好的耐腐蝕性能。

關鍵詞：鎳鈦合金;退火;表面形貌;表面粗糙度;耐腐蝕性

中圖分類號：TG 146文獻標志碼：A

1977年Griintzig進行世界上第一例經皮穿刺冠狀動脈成形術（percutaneous transluminal coronaryangioplasty，PTCA）成功之后，開創了介入醫學的新紀元。鎳鈦（NiTi）合金具有優異的超彈性、耐腐蝕性、形狀記憶性及生物性能等，被廣泛用于介入醫學領域，例如各種導絲和血管支架。在血管支架方面，NiTi合金的耐腐蝕性能和超彈性讓血管支架有著得天獨厚的優勢。然而，隨著NiTi合金在醫療行業應用的越來越廣泛，出現了一系列問題，如，支架植入人體后鎳離子析出含量過高，誘發毒性反應、細胞畸變，甚至致癌。再者，NiTi合金支架表面粗糙度差，合金支架在血管中，易形成支架內再狹窄，造成血管的二次病變。本文主要從表面形貌和表面耐腐蝕性能兩方面來研究退火處理對其影響。

（1）表面形貌：生物材料的表面形貌和粗糙度對血液相容性有著重要的影響，特別是對于長期植入人體的材料。對于NiTi合金而言，合金表面粗糙，就使得合金表面積增加，能發生腐蝕地方更多，使得NiTi合金抗腐蝕性能下降，使得金屬離子析出過多，易導致凝血、炎癥等不良反應，使得NiTi合金對血液和組織相容性下降。同時從血流動力學來說，當NiTi合金進入血管，粗糙的表面對血液流動的阻力增加，血液中釋放的激肽增加，造成NiTi合金表面凝血增大，易發生血栓等不良影響。所以現在企業在制造血管支架時，都會盡可能讓支架內外表面光滑，光滑的表面抗血栓能力更優。

（2）表面耐腐蝕性：耐腐蝕性能是生物醫用材料的一個重要參數。生物醫用材料的血液和組織相容性都與植入人體的材料的耐腐蝕性息息相關。醫用材料發生腐蝕不僅可能破壞植入器械的使用性能，例如器械斷裂或者塌陷，更有甚者，會導致金屬離子析出進入周圍組織，或者進入血液中，進行新陳代謝。因此我們國家食品藥品監督管理局對醫用材料臨床應用都是非常嚴格的。因此，提高NiTi合金的耐腐蝕性能在醫學應用研究方面非常重要。

1試驗材料與方法

本文選用的試驗材料為佩爾科技公司生產的NiTi合金絲，合金牌號Ti-50.8Ni（原子百分含量，%），絲材直徑為0.41mm。退火溫度為350，400，450，500、550和600℃，分別保溫1、5、10、15、20、30、45和60min，為了易于控制冷卻時間，全部采用水冷。

本文使用FEI Quanta450型場發射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察樣品NiTi合金表面形貌，而對于NiTi合金表面粗糙度采用的是Bruker MultiMode 8SPM原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）來檢測。

而對于NiTi合金的耐腐蝕性能，本文采用三電極體系來測試其耐腐蝕性能。三電極體系將測試樣品作為工作陽極，對電極即鉑電極，參比電極即飽和甘汞電極。主要用來測試樣品的開路電位（opencircuit potential，OCP）、極化曲線（polarization curves，PC）判斷樣品在模擬人體環境中的腐蝕情況，以及研究不同熱處理對耐腐蝕性的影響。同時對于NiTi合金而言，基本上都是植入人體中，所以采用模擬體液（simulated bodY fluid，SBF）進行耐腐蝕實驗，試驗時溫度控制在37℃條件下，以求更加接近人體環境。

2 試驗結果及討論

2.1不同退火溫度后的NiTi合金表面形貌

圖1為不同退火溫度后的NiTi合金表面形貌，隨著溫度不斷升高，剛開始NiTi合金表面出現類似凸起的顆粒氧化層形貌。隨著退火溫度越來越高，類似凸起的顆粒越來越多。但當退火溫度達到550℃，表面形貌有著明顯的變化，由原來的凸起的顆粒向小顆粒轉變。當溫度到達600℃，各細小顆粒連成一片，變成層片狀形貌。同時圖1（b）中可以發現絲材在成形時表面存在的殘余應力對后期熱處理形成良好形貌影響巨大。500℃和600℃表面形貌均勻，有著良好的表面形貌。

2.2 不同退火溫度后的NiTi合金表面形貌

圖2為不同退火時間后的NiTi合金表面形貌，隨著退火時間延長，NiTi合金表面形貌先生成凸起的顆粒，后逐漸變大，最后出現片狀形貌，整體趨勢和退火溫度差不多。當退火時間超過20min，氧化層形成表面形貌質量越來越差，出現許多凹坑。當退火時間低于10min時，表面形貌平整，但退火時間短時擔心其表面氧化層厚度不夠，導致耐腐蝕性能不夠。

2.3 不同退火工藝后的NiTi合金表面粗糙度

圖3和圖4是NiTi合金經過不同退火工藝后的AFM圖。從圖中3可以看出，隨著退火時間延長，NiTi合金表面形貌由平整逐漸轉變成凸起的顆粒，最后向圓塊狀轉變。而圖4中，隨著退火溫度不斷增加，合金表面形貌與退火時間相類似。而有些表面有輕微劃痕和尖峰，這些白點尖峰可能由表面的雜質所引起的，劃痕是研磨后殘留下來的。

表1是試樣的表面粗糙度（Ra）由表1可看出，隨著退火時間變長，Ra值整體趨勢變大，但在15min時，Ra值只有2.88nm，低于其他退火時間的Ra值。這與NiTi合金氧化層有關，合金在高溫氧化過程中會形成氧化層，同時隨著時間的不斷延長，Ti原子與空氣中的原子結合形成TiO₂氧化層厚度不斷增加，這就造成了表面氧化層不同的形貌。據文獻資料，當退火時間達到15min時，合金表層形成NisTi，導致表氧化層致密度提高，反而使得表面粗糙度下降。

2.4 不同退火工藝后NiTi合金耐腐蝕性能分析

不同退火工藝處理的NiTi合金試樣在SBF溶液中的動態極化曲線如圖5和6所示，各試樣的自腐蝕電位（E_corr）、維鈍電流密度（i_p）和擊穿電位（E_b）參數列于表2和3。動態極化曲線中，可以用E_corri_p和E_b來表示金屬材料的耐腐蝕性能，其中E_corr是表面穩定性的參數，它是評估金屬材料表面穩定性好壞的參數;i_p反映了陽極溶解速度的大小，i_p越大，則陽極溶解物越多;E_b是表面耐孔蝕性能的體現，E_b越高，耐孔蝕性能越好。生物醫用材料在人體內的腐蝕主要是孔蝕。

耐腐蝕性測試結果得知，與未處理試樣相對比，退火處理提高了NiTi合金的i_p，降低了E_corr，使得NiTi合金的耐腐蝕性能下降。對于提高NiTi合金的耐腐蝕性，可以結合其他的表面處理方式，例如：退火后再進行酸洗電拋光處理（電拋光處理可以獲得一層致密的氧化層）、或者用含有保護氣體熱處理和鹽浴處理。從極化曲線上可以看出，400℃和500℃有較好的耐腐蝕性能，同時保溫時間短，耐腐蝕性更好。

3結論

本文主要通過SEM、AFM和電化學工作站對NiTi合金表面性能進行研究，研究不同熱處理工藝對NiTi合金表面形貌和耐腐蝕性能影響。主要結論如下：

（1）隨著處理溫度的升高和處理時間的延長，NiTi合金表面形貌都是先生成凸起的顆粒再向顆粒狀轉變，最后生成片狀形貌。當熱處理時間大于20min時，NiTi合金表面形貌相對缺陷較多，總的來說500℃保溫15min有著良好的表面形貌。

（2）500℃保溫15min的試樣表面粗糙度值最小。表面形貌最優。

（3）處理溫度400℃和500℃的試樣有較好的耐腐蝕性能，短時保溫易獲得良好的耐腐蝕性能。