植入物在體內會承受著體液腐蝕和運動摩擦的協同作用，即受到磨蝕影響，其造成的材料損失遠超單獨腐蝕與磨損之和，還會產生磨屑和腐蝕產物，進而引發慢性炎癥等負面的生物反應，同時細菌感染也是導致植入物生物相容性欠佳的常見問題。盡管雖Cu具抗菌性且Ti-Zr-Nb-Mo合金有低模量等優勢，但Cu含量對Ti-Zr-Nb-Mo-Cu合金微觀結構與摩擦腐蝕性能的影響及相關機制目前尚不明確。

近日，西北工業大學凝固技術國家重點實驗室&先進潤滑與密封材料研究中心研究人員制備了Ti????Zr??Nb??Mo??Cu?（x = 0,1,3,5 at%）合金，并研究了Cu含量對合金耐摩擦腐蝕性能的影響，發現Ti??Zr??Nb??Mo??Cu?合金具有理想的耐摩擦腐蝕性能。結果以“Achieving optimized tribocorrosion resistance on Ti51Zr15Nb14Mo17Cu3 alloy via precipitate engineering”為題發表在期刊《Corrosion Science》上，通訊作者為賀一軒和王顯宗老師。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113257

【核心內容】

該文章以人工骨植入物的耐磨蝕需求為核心，系統探究了Cu含量對Ti????Zr??Nb??Mo??Cu?（x=0,1,3,5 at%）合金微觀結構及腐蝕、磨損、摩擦腐蝕性能的影響。發現Cu含量的增加會促進BCC基體中CuZr析出相形成，其中Ti??Zr??Nb??Mo??Cu?合金因適度CuZr析出相優化了電位差（~130 mV）與表面保護氧化膜，展現出最優摩擦腐蝕抗性，既減輕磨損損傷又降低了腐蝕速率。

【研究方法】

該研究采用電弧熔煉制備了Ti????Zr??Nb??Mo??Cu?（x=0,1,3,5 at%）合金，使用用XRD、SEM、EDS、EBSD、TEM、SKPFM及納米壓痕儀表征其物相、形貌、成分等。在37℃ PBS溶液中測定電化學，并根據ASTM G31–72標準進行20天的浸泡測試。對樣品進行干摩擦與摩擦腐蝕測試后分析磨損軌跡，測定材料的耐磨蝕性能。

【研究成果】

① 微觀結構調控規律

不含Cu元素的合金為單一β-Ti的BCC相，添加Cu后會析出四方相CuZr，且Cu含量越高，CuZr相體積分數越高（0.34%→12.02%）、晶粒尺寸越小（199.48μm→58.59μm）；其中Ti??Zr??Nb??Mo??Cu?合金的CuZr相與β-Ti相間電位差最優（~130mV），顯著低于Cu?（310mV）和Cu?（363mV），降低了電偶腐蝕風險。

TiZrNbMoCux (x = 0, 1, 3, 5 at.%) 合金的SEM、EBSD和 XRD結果

TiZrNbMoCux (x = 0, 1, 3, 5 at.%) 合金的TEM圖像

TiZrNbMoCux (x = 0, 1, 3, 5 at.%) 合金的SKPFM

② 腐蝕性能最優組合

Cu?合金腐蝕抗性最強，其腐蝕電流密度（0.081μA/cm²）最低，浸泡20天后腐蝕速率~1.465×10?³ mm/a，該數值僅為Cu?（~9.17×10?³ mm/a）的16.2%，且該合金表面氧化膜最厚，氧化膜中富含高穩定性的ZrO?和Nb?O?，保護性顯著優于其他合金。

TiZrNbMoCux (x = 0, 1, 3, 5 at.%) 合金的電化學和長期浸泡測試

在 37°CPBS 溶液中浸泡 20天后鈍化膜的 XPS 深度分析

③ 耐摩蝕性能突破

雖然干摩擦下Cu?合金因CuZr硬相脫落有一定磨損，但在37℃ PBS溶液的摩擦腐蝕環境中磨損體積僅為干摩擦的1.7倍，而其他合金＞2倍，且摩擦腐蝕時的腐蝕電流密度最低，為2.620×10?? A/cm²，實現了腐蝕與磨損性能的平衡。

(a) 干摩擦和 (b) 摩擦腐蝕下的磨損量, (c) 磨損量比較,TiZrNbMoCux(x = 1,3,5at.%)合金在干摩擦(d)和摩擦腐蝕試驗(e)后的三維形貌和SEM圖像

TiZrNbMoCux (x = 0, 1, 3, 5 at.%) 合金的腐蝕、耐磨和耐摩蝕性能的比較

(a) 摩擦腐蝕下的OCP, (b) 摩擦腐蝕和PBS溶液中靜態腐蝕下的動電位極化曲線和 (c) Icorr的比較, (d-d2) TiZrNbMoCux合金摩擦腐蝕機理示意圖

【總結與展望】

該研究制備了Ti????Zr??Nb??Mo??Cu?合金并探究Cu含量對其耐磨蝕性能的影響，得出Ti??Zr??Nb??Mo??Cu?合金因適度的CuZr析出相優化電位差與氧化膜穩定性，展現出了最優的耐磨蝕性能。未來可進一步進行生物相容性相關研究，推動該類材料向人工骨科植入物臨床應用轉化。