Ti-6Al-4V合金以其良好的生物相容性、综合力学性能、机械加工性能和耐腐蚀性能等优势,在医学临床应用中得到了广泛应用,如骨科中的人工关节、接骨板、骨钉、骨针、脊柱矫形内固定系统,牙科中的牙种植体、牙托等^[1]。但Ti-6Al-4V合金自身不具有抗菌生物功能,而由植入医疗器械引发的细菌感染一直是临床医疗中亟待解决的问题,是引起植入物失效的一个重要原因^[2]。据报道,在美国每年由于骨科植入医疗器械引发的感染比例达4.3%^[3],全世界每年约有1400万人遭受院内感染,其中60%的原因与医疗器械的使用有关^[4,5]。针对植入医疗器械引发的细菌感染问题,人们通过在医用金属中添加适量的具有抗菌功能的Cu元素,开发出具有新型抗菌功能的医用金属材料,例如含Cu抗菌不锈钢^[6]、含Cu抗菌钛合金^[7]及含Cu抗菌钴基合金^[8]等。研究^[9]表明,含Cu抗菌钛合金 (Ti6Al4V-Cu)具有明显降低细菌黏附和细菌生物膜形成的生物功能。因此,研发具有良好的综合力学性能、耐蚀性能、抗菌生物功能、生物相容性能等综合性能的含Cu抗菌钛合金,具有广阔的临床应用前景。

研究^[10,11]表明,通过调节热处理温度和冷却速率,可以改变钛合金的显微组织,从而影响合金的性能。Filip等^[10]通过研究组织形貌对α+β钛合金力学性能的影响,发现随着热处理温度的升高,合金的组织形貌从等轴组织过渡到双态组织,最后变为全片层组织。在较慢的冷却速率下,次生α板条从原始β晶界向晶内生长,而在较快的冷却速率下则发生马氏体转变。Gil等^[11]研究了晶粒尺寸和冷却速率对Ti6Al4V合金力学性能的影响,发现在较慢的冷却速率下,得到的β转变组织较粗大,导致拉伸强度下降。对含Cu钛合金的研究^[7,9]表明,由于Cu的加入,赋予了合金抗菌生物功能,Ren等^[9]研究了Ti6Al4V-xCu (x=1、3、5,%,质量分数,下同)合金的抗菌性能,发现随着Cu含量的升高,其抗菌性能增强。Liu等^[7]发现Ti-Cu合金中Cu含量至少达到5%,才能使合金的抗菌性能稳定而持久。也有研究表明^[12,13],Cu的加入影响了钛合金的耐蚀性能。Osório等^[12]通过离心铸造制备出Cu含量分别为5%、7.1%和15%的Ti-Cu合金,发现随着Cu含量的升高,铸态合金的耐蚀性能下降,然而经过900 ℃保温2 h热处理后,其耐蚀性能提高。Koike等^[13]研究了铸态Ti6Al4V-xCu (x=0.9、3.5,%)合金的腐蚀性能,发现添加3.5%的Cu后,与Ti6Al4V合金相比,其耐蚀性能并未发生显著变化。另外,Cu的加入也使得钛合金的力学性能发生很大变化,特别是塑性。Kikuchi等^[14]研究了Cu含量在1%~10%范围内的Ti-Cu合金的力学性能,发现随着Cu含量升高,延伸率从7%下降到1%。Aoki等^[15]研究了Ti6Al4V-xCu (x=1、4、10,%)铸造钛合金的力学性能,发现Cu含量为1%和4%的钛合金满足牙科植入物材料对力学性能的要求,但是当Cu含量增加到10%时,合金出现脆性断裂。以上相关研究表明,Cu的加入对钛合金的综合性能产生很大影响。但是关于热处理中的冷却速率对含Cu钛合金的显微组织及综合性能的影响却鲜有报道。

前期研究^[16]表明,Cu含量为5%的铸造Ti6Al4V-5Cu合金具有良好的抗菌性能和生物相容性。本工作以Ti6Al4V-5Cu合金为研究对象,通过热加工获得等轴组织,然后采用不同温度区间保温后的不同冷却速率的热处理,研究冷却速率对合金力学性能、耐蚀性能和抗菌性能的影响,以期为优化含Cu钛合金的综合性能提供依据。

1 实验方法

名义成分为Ti6Al4V-5Cu的含Cu钛合金由真空自耗电弧炉3次重熔,其β→α相变点为890 ℃,β→α+Ti₂Cu共析转变点为780 ℃。铸锭经β相区开坯锻造后,在α+β相区轧制成具有等轴组织的棒材。实验材料的化学成分为(质量分数,%)：Al 5.57, V 3.78, Cu 4.46, Fe 0.12, C 0.012, N 0.002, O 0.1, H 0.0022,Ti余量。根据合金的3个不同相区：α+β+Ti₂Cu三相区、α+β两相区及β单相区,将热处理设置为740 ℃ (三相区)、820 ℃ (两相区)及910 ℃(单相区),保温1 h后分别经过水淬、空冷、炉冷3种由快到慢的速率进行冷却。首先发现经以上3个温度保温后空冷和炉冷的样品的显微组织都由α+β+Ti₂Cu 三相组成,但经不同温度保温后水淬样品的相组成有明显差异。因此,实验组分别选取以下3种热处理方案：(1) 740 ℃保温1 h后分别采用水淬、空冷、炉冷3种冷却方式;(2) 820 ℃(两相区)保温1 h后水淬;(3) 910 ℃(单相区)保温1 h后水淬。以上实验组依次标记为：740WQ、740AC、740FC、820WQ和910WQ,并采用医用Ti6Al4V合金棒材作为对照组。利用SSX-550型扫描电镜(SEM)进行组织形貌观察。采用Tecnai G² 20透射电镜(TEM)及自带的能谱仪(EDS)对试样微观组织进行观察和成分分析。

利用D8 DISCOVER型X射线衍射仪(XRD)测定合金组织中的相组成。利用HTV-1000型硬度计测量合金的Vickers硬度,实验加力9.8 N,加压持续15 s。利用Instron 8872型力学试验机进行拉伸测试,拉伸速率0.5 mm/min,试样为螺纹直径10 mm、标距长度30 mm、标距直径5 mm的棒状标准拉伸样品。电化学实验在Reference 600电化学工作站上进行,电解池采用标准三电极体系,金属Pt片作为对电极,饱和KCl甘汞电极作为参比电极,介质为生理盐水(0.9%NaCl溶液),pH=7.4,实验中溶液保持37 ℃。极化曲线测量时,电位由阴极向阳极方向扫描,扫描速率0.5 mV/s,扫描范围-0.5~3.0 V。电化学数据采用Origin 9.0和Gamry Echem Analyst分析软件进行绘图和分析。抗菌实验参照GB/T 2591标准进行,采用的菌种为骨科感染常见的革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌ATCC25923 (S. aureus)。实验中样品表面滴加50 μL浓度为1.0×10⁵ cfu/mL 的细菌液,在37 ℃培养箱中培养24 h后,取出样品放入2 mL的0.9%NaCl溶液中对菌液稀释,再取100 μL稀释后的菌液涂在有营养的琼脂培养基上,培养24 h后对细菌数量进行统计,并按照公式(1)计算实验材料的杀菌率,进而评价实验材料的杀菌能力：

R(%)=(Ncontrol-Nexperiment)/Ncontrol×100%(1)

式中,R为抗菌率,N_control为对照样品的平均细菌数,N_experiment为实验组样品的平均细菌数。

利用活/死细菌染色实验进行细菌生物膜观察。在样品表面滴加50 μL浓度为1.0×10⁶ cfu/mL的细菌液,在37 ℃培养箱中培养24 h后,轻轻吸弃细菌悬浮液,然后采用SYTO9 (5 μmol/L,绿色荧光)和PI (30 μmol/L,红色荧光)染色剂对样品表面粘附的细菌染色15 min,然后在BX51荧光显微镜下进行观察。

实验数据采用平均值和标准差来表示,并且采用SPSS 13.0软件对活/死细菌染色实验结果进行方差分析,显著性差异表达为p<0.05。

2 实验结果

2.1 冷却速率对合金显微组织的影响

图1为Ti6Al4V-5Cu合金经热处理后以不同速率冷却后的XRD谱。从图1a可以看出,740FC和740AC样品的组织都是由α+β+Ti₂Cu三相组成。从图1b可以看出,不同温度下保温后水淬的样品组织形貌有所差异,740WQ样品中除了含有与740AC样品相同的α+β+Ti₂Cu以外,还有α"相的衍射峰。但是在820WQ样品中,Ti₂Cu相的衍射峰消失,组织由α+β+α"相构成。由此可知,在740~820 ℃的温度区间,水淬可以发生β→α"马氏体转变。而910WQ样品中只存在α/α′的衍射峰,由于α和α′相的衍射峰几乎重合,而α′相的存在使α相的衍射峰半高宽增大,因此可以判断910WQ样品中存在α+α′相。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   Ti6Al4V-5Cu合金以不同速率冷却后的XRD谱

Fig.1   XRD spectra of Ti6Al4V-5Cu alloy sample
(a) air cooling (AC) and furnace cooling (FC)
(b) water quenching (WQ)

图2为Ti6Al4V-5Cu合金以不同速率冷却后的SEM像。可以看出,合金中出现了3种衬度的相。根据XRD的结果及相体积分数的比例可以推出,740FC、740AC和740WQ样品中亮白色的颗粒是Ti₂Cu相,灰色衬度相为β转变组织,深灰色衬度相为初生α_p相。随着冷却速率升高,β转变组织的体积分数逐渐增大。但是在740WQ样品的SEM像中看不到α"马氏体相,同样在820WQ和910WQ样品中也看不到马氏体相。但是这几组样品的XRD谱中分别存在α"和α′马氏体,表明马氏体相很可能是由于尺寸太小,所以难以在扫描电镜下分辨出来。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   Ti6Al4V-5Cu合金以不同速率冷却后的SEM像

Fig.2   SEM images of Ti6Al4V-5Cu alloy sample
(a) 740FC (b) 740AC (c) 740WQ (d) 820WQ (e) 910WQ

为了进一步观察合金的微观组织,将740AC、740WQ和910WQ 3组样品进行TEM观察和EDS分析,结果如图3所示。740AC样品中存在尺寸约200 nm的Ti₂Cu相,EDS表明,Ti₂Cu相中的Cu含量达40%,V含量约1.2%,几乎不含Al,而α相中的Al含量达8.8%,V和Cu含量很少。与α相相比,β相中的Cu和V含量都较高,但Al含量较少,这也进一步证明Cu和V都为β相稳定元素,而Al为α相稳定元素。在740WQ样品的SEM观察中,能看到细长的针状相,根据XRD谱推测其为α"相,尺寸约20~40 nm。而在910WQ样品中可以看到密集分布的针状相,尺寸为30~100 nm,推测该相为α′马氏体。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   Ti6Al4V-5Cu合金TEM像及EDS分析

Fig.3   TEM images and EDS analysis of Ti6Al4V-5Cu alloy samples
(a) 740AC (b) 740WQ (c) 910WQ (d) EDS of 740AC

2.2 冷却速率对合金综合性能的影响

冷却速率对Ti6Al4V-5Cu合金力学性能和耐蚀性能的影响如图4所示。由图4a可以看出,样品的显微硬度由小到大依次为：820WQ<Ti6Al4V<740WQ<740FC<740AC<910WQ。由图4b可以看出,Ti6Al4V-5Cu合金的抗拉强度都高于Ti6Al4V合金,且910WQ样品的抗拉强度达到1450 MPa,比Ti6Al4V合金高490 MPa,但样品没有出现屈服就已发生断裂,为脆性断裂。其它Ti6Al4V-5Cu合金的样品的抗拉强度也比Ti6Al4V合金提高了50~180 MPa。由屈服强度结果可以看出,740AC和740FC样品的屈服强度分别为983和952 MPa,比Ti6Al4V合金 (861 MPa)提高了91~122 MPa,但740WQ和820WQ样品的屈服强度分别为756和642 MPa,显著低于其它Ti6Al4V-5Cu合金样品及Ti6Al4V合金。由延伸率结果可以看出,910WQ样品几乎没有延伸率,其它4组样品的延伸率比Ti6Al4V合金提高了6%~40%,样品的延伸率由小到大依次为：Ti6Al4V<740AC<820WQ<740WQ<740FC。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   冷却速率对Ti6Al4V-5Cu合金力学性能及耐蚀性能的影响

Fig.4   Effects of cooling rate for Ti6Al4V-5Cu alloy on Vickers hardness (a), tensile properties (b) and corrosion resistance (c) (E_corr—corrosion potential, i_corr—corrosion current density)

图4c为不同冷却速率下Ti6Al4V-5Cu合金和Ti6Al4V合金的极化曲线,再由Tafel曲线拟合出不同样品的腐蚀电位E_corr和腐蚀电流密度i_corr。可以看出,Ti6Al4V-5Cu合金的E_corr的变化规律与i_corr不一致。一般来说腐蚀电位的高低同腐蚀速率之间并无一定的关系^[17],因此本工作采用i_corr来表征材料的耐蚀性能。由i_corr可以看出,Ti6Al4V-5Cu合金样品的i_corr都小于Ti6Al4V合金,表明Cu的加入提高了合金的耐蚀性能。而在不同冷却速率下的Ti6Al4V-5Cu合金样品中,740FC的i_corr最大,耐蚀性最差,910WQ的i_corr最小,耐蚀性最佳。对于同一热处理温度的空冷和水淬2种冷却速率下的样品740AC和740WQ,前者的耐蚀性优于后者。另外,所有Ti6Al4V-5Cu合金的点蚀电位都略高于Ti6Al4V合金,进一步证实了含Cu钛合金具有的优异耐蚀性能。

图5为不同冷却速率下Ti6Al4V-5Cu合金与金黄色葡萄球菌培养24 h的抗菌实验结果。由图5a可以看出,与对照组Ti6Al4V合金作用后的细菌菌落数显著高于含Cu钛合金,表明细菌在Ti6Al4V合金表面上生长良好,Ti6Al4V合金没有抗菌作用。在Ti6Al4V合金中加入Cu后,平板中的菌落计数显著减少,且以不同速率冷却后样品的抗菌效果差异不大,抗菌率在93%~99%,其中,740WQ、740AC、820WQ和910WQ样品的抗菌率均达到97%,而740FC样品上虽然有少量的细菌生长,但抗菌率也达到了93%。因此,Cu元素的加入使钛合金具有良好的抗菌性能。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5   不同冷却速率下Ti6Al4V-5Cu合金的抗菌实验结果

Fig.5   Typical photographs (a) and antibacterial rates (b) of S. aureus colonization after 24 h cultures of Ti6Al4V-5Cu alloy samples

图6为细菌在样品表面培养24 h后的活/死细菌染色实验结果。由图6a中细菌膜的三维形貌可以看出,Ti6Al4V合金表面上的细菌膜中活细菌(绿色区)数量大且分布密集,几乎没有死细菌(红色区)出现,表明Ti6Al4V合金表面可以形成生长良好的细菌生物膜。而Ti6Al4V-5Cu合金表面上的活细菌相对较少,且分布稀疏,出现许多红色衬度的死细菌,说明Ti6Al4V-5Cu合金对细菌生物膜的形成具有阻碍作用。由图6b的细菌膜厚度结果可以看出,Ti6Al4V合金中添加Cu元素后,细菌膜厚度明显下降,进一步证明Ti6Al4V-5Cu合金具有阻止细菌生物膜形成和生长的有益作用。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6   不同冷却速率下Ti6Al4V-5Cu合金的活/死细菌染色实验结果

Fig.6   Typical 3D photographs (a) and thickness (b) of S. aureus biofilms incubated on the surfaces of Ti6Al4V-5Cu alloy samples for 24 h co-culture (*p<0.05 when compared to Ti6Al4V alloy)

3 分析与讨论

已有研究^[18,19]表明,热处理中的冷却速率会影响钛合金的组织和性能。Jovanović等^[20]研究了退火热处理温度和冷却速率对铸态Ti6Al4V的组织和力学性能的影响,发现退火冷却方式为水淬时,随退火温度的升高,α′相体积分数增多,但初生α相减少,而空冷时,随退火温度的升高,次生α相体积分数增多,初生α相也减少;合金的硬度和拉伸强度则随冷却速率的增加而升高,而塑性的变化规律则相反,其中α′马氏体的存在能大幅度提高强度和硬度。本工作中热处理冷却速率的变化也影响了Ti6Al4V-5Cu合金的组织形貌,并因此而改变了合金的性能。图2表明,冷却速率越慢,合金中残留β相的体积分数越少,而初生α相的体积分数越多。但只有在水淬的条件下,Ti6Al4V-5Cu合金组织中才出现马氏体相,并且随着热处理温度的升高,合金在不同相区水淬后得到的组织不同。740WQ样品的热处理温度在共析转变点以下,因此组织中仍然有Ti₂Cu相,并且β相在快速冷却过程中发生了β→α"马氏体转变。820WQ样品在α+β两相区水淬,β相在水淬后部分转变成了α"马氏体。910WC样品的热处理温度在β单相区,高温β相水淬后发生了β→α′马氏体转变,并且由图3c可知,针状α′马氏体紧密地交错排列分布于β相区,比740WQ样品中得到的α"马氏体组织分布更密集,表明马氏体转变更充分。由此可以看出,Ti6Al4V-5Cu合金水淬后的马氏体转变过程与热处理温度有关,在温度较低的三相区及两相区保温后水淬,能得到少量的正交马氏体α"相;而在较高的单相区保温后水淬,能获得密集分布的六方晶系针状α′马氏体相。

Ti6Al4V-5Cu合金在740 ℃同一温度下以不同速率冷却导致形成不同的显微组织,进而影响合金的力学性能,而在不同温度水淬导致形成的马氏体类型不同,同样也会影响合金的力学性能。Tarzimoghadam等^[21]和Sun等^[22]研究了钛合金的组织与力学性能的关系,表明在α+β双相合金中,α相为较软的塑性相,初生α相的尺寸和体积分数越大,合金的塑性越好,但强度越低。因此在本工作中,740AC样品中初生α相的体积分数和尺寸都低于740FC样品,因此强度较高,延伸率较低。李长富等^[23]的研究结果表明,对于Ti4Al4.5Mo合金,当合金在α→β相变点以上温度水淬后,可以获得hcp结构的α′马氏体,随固溶温度降低,水淬后出现正交α"马氏体,显著降低了β转变组织的硬度。Jiang等^[24]和Yu等^[25]的研究结果表明,正交α"相的出现可导致钛合金的屈服强度下降,塑性升高。而α′马氏体则相反,Moiseev等^[26]的研究证明针状α′马氏体的出现对合金起到了强化作用。在本工作中,也出现了类似规律,740WQ和820WQ的样品中都出现了正交α"相,因此其屈服强度相比其它样品都明显降低。但740WQ样品中依然有硬质的金属间化合物Ti₂Cu相的存在,因此740WQ样品的硬度和屈服强度比820WQ样品的高。而且740WQ样品中初生α相的体积分数也较大,因此其塑性也较好。910WQ样品由于组织中密集分布了针状α′马氏体相,导致其强度和硬度显著升高,但几乎没有塑性,因此应尽量不采用此种高温热处理方式,以避免发生脆断。

Ti6Al4V-5Cu合金的极化曲线测试结果表明,Cu的添加提高了合金的耐蚀性能,而冷却速率影响组织形貌的同时,也导致了耐蚀性的差异。Bai等^[27]采用电子束熔炼技术制备出Ti6Al4V合金,其耐蚀性能优于锻造态Ti6Al4V合金,指出其主要原因在于电子束熔炼Ti6Al4V合金中β相体积分数的增大和组织中α/β片层尺寸的细化。β相增多,使电子转移电阻增大,合金元素的溶解速率下降,而组织的细化又使合金元素的分布更加均匀,减少了由于合金元素差异而引起的电偶腐蚀效应,二者均提高了合金的耐蚀性能。研究中同一温度下不同冷却速率的样品,其耐蚀性由小到大为740FC<740AC<740WQ,同一冷却速率下不同温度热处理后的样品中,耐蚀性由小到大依次为740WQ<820WQ<910WQ,分析其原因,是由于冷却速率的加快及水淬温度的升高使合金中的α相体积分数下降,β相增加。

Ti6Al4V-5Cu合金的抗菌实验和活/死细菌染色实验结果表明,Cu元素的添加,使合金具有良好的抗菌性能和抑制细菌膜生长的功能。已有研究^[28-30]证实了含Cu钛合金的抗菌性能。Liu等^[28]通过生物透射电镜等方法发现细菌与Ti-Cu合金共培养后,细胞膜和细胞壁发生分离,并且细胞质从细胞内流出,而导致细菌死亡。Zhang等^[29]的研究结果表明,在Ti-Cu合金中,Ti₂Cu相的析出对抗菌性能起决定性作用,所以时效态合金的抗菌性能优于固溶态合金。Ma等^[30]研究了固溶+时效热处理对铸态Ti6Al4V-5Cu合金抗菌性能及生物相容性的影响,证明Ti6Al4V-5Cu合金具有良好的生物相容性,并且合金在930 ℃固溶1 h热处理后比时效处理后的合金具有更优的抗菌性能。在本工作中,变形态Ti6Al4V-5Cu合金经不同冷却速率处理后,虽然相组成有所变化,但都表现出优异的抗菌性能并抑制细菌膜生长,表明冷却速率导致合金组织形貌造成的变化并不影响合金的抗菌性能。

4 结论

对Ti6Al4V-5Cu合金采用不同冷却速率的热处理会导致其不同的组织形貌,从而影响了合金的力学性能和耐蚀性能,但对合金的抗菌性能影响不大。

炉冷合金由于冷却速率最慢,使得组织中初生α相的尺寸和体积分数最大,所以塑性最佳;而水淬合金由于冷却速率较快,使得在不同温度下发生了不同的马氏体转变,在740和820 ℃水淬后,组织中存在斜方α"相,导致合金的硬度和屈服强度显著降低;在910 ℃水淬后,组织中形成针状的六方α′相,导致合金的硬度和抗拉强度最高,但塑性最差,呈脆性断裂。

同一冷却速率下,随着热处理温度的升高,Ti6Al4V-5Cu合金中的元素分布逐渐均匀,使其耐蚀性能随之提高,且不同热处理方式下的Ti6Al4V-5Cu合金的耐点蚀能力都高于Ti6Al4V合金。

改变冷却速率并不明显影响合金的抗菌性能,不同冷却速率下的Ti6Al4V-5Cu合金都具有优异的抗菌性能。

The authors have declared that no competing interests exist.