島津EPMA在醫(yī)用鈦材料中的綜合分析

2025-01-17

鈦材料具有耐腐蝕和耐熱等機(jī)械性能，作為通用材料被廣泛應(yīng)用于從航天航空到消費(fèi)品的各個(gè)領(lǐng)域，并且由于其優(yōu)異的生物相容性也可作為特殊材料應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

通用材料又細(xì)分為三種：耐腐蝕和耐海水性能優(yōu)異的、常見(jiàn)的高純度工業(yè)純鈦（CP鈦），添加了微量元素以促進(jìn)鈍化膜形成的、耐腐蝕性優(yōu)良的耐腐蝕鈦合金，以及添加了合金元素以調(diào)節(jié)可加工性和強(qiáng)度等特性的鈦合金。另外，特殊材料大致分為純度比純鈦高的高純度鈦，以及添加到鈦合金中具有獨(dú)特功能的形狀記憶合金、超彈性合金等功能性鈦合金。

圖1. 島津場(chǎng)發(fā)射電子探針EPMA-8050G

島津EPMA-8050G型電子探針（圖1）搭載高質(zhì)量場(chǎng)發(fā)射電子光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合島津特有的52.5°高X射線取出角和全聚焦晶體，可以實(shí)現(xiàn)：

01優(yōu)越的空間分辨率

EPMA-8050G可達(dá)到更高級(jí)別的二次電子圖像分辨率3nm（加速電壓30kV）。

（加速電壓10kV時(shí)20nm@10nA/50nm@100nA/150nm@1μA）

02大束流更高靈敏度分析

可實(shí)現(xiàn)大部分儀器所不能達(dá)到的大束流（加速電壓30kV時(shí)可達(dá)3μA）。在超微量元素的檢測(cè)靈敏度上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，使元素面分析時(shí)超微量元素成分分布的可視化成為現(xiàn)實(shí)。

島津研發(fā)部門使用EPMA-8050G儀器對(duì)醫(yī)用鈦材制成的牙根植入物和具有超彈性特性的齒列矯正線進(jìn)行分析的示例。

鈦合金分析

鈦在室溫下為α項(xiàng)（密排六方結(jié)構(gòu)：HCP），在885℃以上同素轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵w心立方結(jié)構(gòu)：BCC）晶體結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)添加α相穩(wěn)定元素Al、O、N、C等和β相穩(wěn)定元素V、Mo、Nb、Fe、Cr、Ni等來(lái)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，從而制成具有各種性能的合金。這些合金分為α合金、α-β合金和β合金。

EPMA對(duì)Ti-6Al-4V合金的牙根植入物分析的結(jié)果，可確認(rèn)α相穩(wěn)定元素的Al和β相穩(wěn)定元素的V、Fe的分布狀態(tài)，見(jiàn)圖2。

圖2. 牙根植入物元素面掃描分析

超彈性合金

以50%的原子比混合的Ti和Ni合金稱為TiNi合金（鎳鈦諾），因其出色的形狀記憶特性和超彈性特性而廣為人知。將形狀記憶合金變形為任意形狀后，當(dāng)加熱到相變溫度（相變點(diǎn)）以上，合金會(huì)恢復(fù)到原始形狀。超彈性合金在施加負(fù)荷時(shí)會(huì)變形，而去除負(fù)荷后則會(huì)恢復(fù)到原始形狀?？梢酝ㄟ^(guò)改變Ti和Ni的混合比改變相變溫度，還可以通過(guò)添加其他元素來(lái)改變特性。

圖3顯示了作為超彈性合金的齒列矯正線的元素面分析結(jié)果，其中在TiNi合金基體相中觀察到O和Ti集中的數(shù)μm大小的化合物相呈彌散結(jié)構(gòu)分析。

圖3. 齒列矯正線元素面掃描分析

圖4為化合物放大后的元素面分析結(jié)果，可以確認(rèn)約300nm的微細(xì)球形顆粒。TiNi合金基體的Ti和Ni濃度分別約為46wt.%和54wt.%，原子比接近1：1?；衔锵嘀械腛、Ti和Ni濃度分別約為4.6wt.%、59.7wt.%和35.7wt.%，原子比接近1：4：2。

圖4. TiNi合金和Ti₄Ni₂O的化合物相

化合物相的相解析

通過(guò)相分析，能將繪制在散點(diǎn)圖上的強(qiáng)度（濃度）作為點(diǎn)集（簇）提取，因此可以準(zhǔn)確地顯示化合物相。通過(guò)對(duì)圖4中的O、Ti、Ni元素面分析數(shù)據(jù)進(jìn)行相位分析，可獲得圖5中，O、Ti、Ni的三角散點(diǎn)圖。從圖中可以確認(rèn)兩個(gè)簇，并且Ti₄Ni₂O化合物的顯示位置（O：Ti：Ni=4：59：37wt.%=13:58:29at.%）和簇中心相對(duì)應(yīng)。過(guò)濾每個(gè)簇后獲得了圖6所示的相圖，分離為TiNi基體相和Ti₄Ni₂O化合物相。

圖5. Ti-Ni-O元素散點(diǎn)圖圖6. Ti-Ni-O相圖

圖7的多元素散點(diǎn)圖顯示了基體相的TiNi合金以及化合物相的Ti₄Ni₂O化合物。可以在O，Ti和Ni的二維散點(diǎn)圖中分別看到簇中心和化合物顯示位置相一致。

圖7. 多元素散點(diǎn)圖

化合物相的狀態(tài)分析

EPMA可進(jìn)行微區(qū)的狀態(tài)分析，已經(jīng)知道可以使用Ni-L線系根據(jù)Ni-Lβ/Ni-Lα的比率和峰型波長(zhǎng)偏移等來(lái)對(duì)鎳進(jìn)行分析。圖8所示的Ti₄Ni₂O化合物相的Ni-L線系譜表明有化合物形成，因?yàn)槠浞逍筒ㄩL(zhǎng)和比率與純鎳略有不同。