铸钛表面多结构层对钛瓷结合的影响

　　【摘要】　目的　研究铸钛表面多结构层对钛瓷结合产生的影响。方法　采用电子探针界面分析及剪切强度测试的方法，考察了钛瓷界面的结合状况及结合强度。结果　铸钛表面多结构层组(R1)的钛瓷界面出现裂隙，界面区元素扩散带宽度为29.03 μm，剪切强度为29.45 MPa；去除多结构层铸钛组(R2)及锻钛组(R3)的钛瓷界面结合紧密、无裂隙，界面区元素扩散带宽度分别为6.90 μm和7.01 μm，剪切强度分别为52.75 MPa和48.32 MPa。统计学结果表明，R1组剪切强度和元素扩散带宽度与R2、R3组比较，差异均有非常显著性(P<0.01)。结论　铸钛件表面烤瓷前，应先去除其表面多结构层。
　　
　　钛在高温熔解后活性增大，极易氧化，易与包埋材料产生反应，故钛铸件表面常出现多层结构［1］。这种结构一般分为4层［2］：①与铸模的反应层；②氧化层(称a-case层)；③包埋料成分浸入层；④树枝状结晶层。其厚度随包埋材料种类不同而异，一般为50～200 μm［1］。目前尚无一种可以完全抑制铸钛表面多结构层产生的钛用包埋料［3］。因此，在铸钛表面烤瓷前是否应去除多结构层，需要实验证实。

材料和方法

　　一、材料与设备
　　纯钛(TA1)，由西北有色金属研究院提供。TiBond低温瓷粉，Dentsply 产品。Multimat 99型烤瓷炉，Dentsply产品。Topstar-2型笔式喷砂机，Bego产品。50 μm氧化铝，氧化锆及磷酸盐包埋料，Dentsply产品。EPM-810Q型电子探针，Shimadzu产品。Instron-1185型万能材料试验机，Instron公司产品。铸钛机，本院与洛阳涧西四方机械厂联合研制。
　　二、方法
　　1.剪切试验：
　　(1)铸钛试样制备：取直径2.6 mm、长50 mm的自凝塑料棒8根，再取直径为2.5 mm、长50 mm的自凝塑料棒8根。以氧化锆包埋料作内包埋，用磷酸盐包埋料作外包埋。铸圈温度由850℃降至300℃时，放在铸钛机内铸造。直径2.5 mm的试样表面不打磨，只用50 μm氧化铝喷砂处理(在PME Olympus金相显微仪下放大750倍观察，见多结构层未有明显变化，去除厚度约10 μm)，将处理过的试样设为R1处理组。直径为2.6mm的试样表面用320号～740号砂纸逐渐打磨，直至去除多结构层(在PME Olympus金相显微仪放大750倍下观察，去除表层厚度约100μm)，再用50 μm氧化铝喷砂处理，为R2处理组。将R1及R2处理组的16根TA1试样均用丙酮超声清洗15分钟，吹干备用。
　　(2)锻钛试样制备：将纯钛棒材在水冷却下，机械加工成直径为2.5 mm、长50 mm的试样8根。试样用50 μm氧化铝喷砂处理，而后置于丙酮中超声清洗15分钟，吹干备用，为R3处理组。
　　(3)上瓷方法［4］：烤瓷时用特制的成形圈上瓷，成形圈内径8.5 mm、高4.5 mm。将瓷烤在距钛棒末端5 mm处的轴面上。本研究采用的TiBond烧烤工艺参数见表1。本组全部试样上瓷均烧烤4次。

表1　TiBond烤瓷工艺参数

讨论
　　钛及钛合金作为金属生物材料，采用冷加工成型的方法已在医学的许多领域得到应用［5］。但在热加工方面，由于高温熔解后钛活性增大，使得其铸件表面常出现50～200 μm的多结构层［1］。该层结构疏松，杂质含量多［1，2］。从理论上推测，当瓷熔附于其表面时，在界面区就容易出现“疏松的反应层”或裂隙，从而降低了钛瓷结合强度。我们的实验结果证实了这一点。由于用50 μm氧化铝喷砂仅能去除约10 μm的钛铸件表层［6］，所以R1组铸钛试样表面多结构层基本保留下来。R2组试样在去除100 μm表层后，镜下见已不存在多结构层。剪切试验结果，R1组剪切强度明显低于R2组与R3组。说明R1组的钛瓷结合强度受到铸钛件表面多结构层的影响。
　　界面分析表明，R1组试样钛瓷界面出现裂隙，而R2组与R3组均没有；R1组元素扩散带宽度为29.03 μm，明显高于R2组与R3组(6.90 μm，7.01 μm)。由于瓷与金属发生反应的部位主要是其表层的氧化膜［7］，界面区元素扩散带越宽，表明瓷与金属基体反应层越宽，也就意味着界面区氧化膜越厚。因此，可以认为R1组界面区的氧化膜明显厚于R2组与R3组，而氧化膜过厚就会导致金瓷结合强度的降低［7］。可以看出，由于受到多结构层的影响，使R1组钛瓷界面出现裂隙，氧化膜过厚，故其结合强度较低。本项研究结果提示，钛铸件在烤瓷前应去除其表面多结构层。