植入物在体内会承受着体液腐蚀和运动摩擦的协同作用，即受到磨蚀影响，其造成的材料损失远超单独腐蚀与磨损之和，还会产生磨屑和腐蚀产物，进而引发慢性炎症等负面的生物反应，同时细菌感染也是导致植入物生物相容性欠佳的常见问题。尽管虽Cu具抗菌性且Ti-Zr-Nb-Mo合金有低模量等优势，但Cu含量对Ti-Zr-Nb-Mo-Cu合金微观结构与摩擦腐蚀性能的影响及相关机制目前尚不明确。

近日，西北工业大学凝固技术国家重点实验室&先进润滑与密封材料研究中心研究人员制备了Ti₅₄₋ₓZr₁₅Nb₁₄Mo₁₇Cuₓ（x = 0,1,3,5 at%）合金，并研究了Cu含量对合金耐摩擦腐蚀性能的影响，发现Ti₅₁Zr₁₅Nb₁₄Mo₁₇Cu₃合金具有理想的耐摩擦腐蚀性能。结果以“Achieving optimized tribocorrosion resistance on Ti51Zr15Nb14Mo17Cu3 alloy via precipitate engineering”为题发表在期刊《Corrosion Science》上，通讯作者为贺一轩和王显宗老师。

文章链接：

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

【核心内容】

该文章以人工骨植入物的耐磨蚀需求为核心，系统探究了Cu含量对Ti₅₄₋ₓZr₁₅Nb₁₄Mo₁₇Cuₓ（x=0,1,3,5 at%）合金微观结构及腐蚀、磨损、摩擦腐蚀性能的影响。发现Cu含量的增加会促进BCC基体中CuZr析出相形成，其中Ti₅₁Zr₁₅Nb₁₄Mo₁₇Cu₃合金因适度CuZr析出相优化了电位差（~130 mV）与表面保护氧化膜，展现出最优摩擦腐蚀抗性，既减轻磨损损伤又降低了腐蚀速率。

【研究方法】

该研究采用电弧熔炼制备了Ti₅₄₋ₓZr₁₅Nb₁₄Mo₁₇Cuₓ（x=0,1,3,5 at%）合金，使用用XRD、SEM、EDS、EBSD、TEM、SKPFM及纳米压痕仪表征其物相、形貌、成分等。在37℃ PBS溶液中测定电化学，并根据ASTM G31–72标准进行20天的浸泡测试。对样品进行干摩擦与摩擦腐蚀测试后分析磨损轨迹，测定材料的耐磨蚀性能。

【研究成果】

① 微观结构调控规律

不含Cu元素的合金为单一β-Ti的BCC相，添加Cu后会析出四方相CuZr，且Cu含量越高，CuZr相体积分数越高（0.34%→12.02%）、晶粒尺寸越小（199.48μm→58.59μm）；其中Ti₅₁Zr₁₅Nb₁₄Mo₁₇Cu₃合金的CuZr相与β-Ti相间电位差最优（~130mV），显著低于Cu₁（310mV）和Cu₅（363mV），降低了电偶腐蚀风险。

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

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

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

② 腐蚀性能最优组合

Cu₃合金腐蚀抗性最强，其腐蚀电流密度（0.081μA/cm²）最低，浸泡20天后腐蚀速率~1.465×10⁻³ mm/a，该数值仅为Cu₁（~9.17×10⁻³ mm/a）的16.2%，且该合金表面氧化膜最厚，氧化膜中富含高稳定性的ZrO₂和Nb₂O₅，保护性显著优于其他合金。

TiZrNbMoCux (x = 0, 1, 3, 5 at.%) 合金的电化学和长期浸泡测试

在 37°CPBS 溶液中浸泡 20天后钝化膜的 XPS 深度分析

③ 耐摩蚀性能突破

虽然干摩擦下Cu₃合金因CuZr硬相脱落有一定磨损，但在37℃ PBS溶液的摩擦腐蚀环境中磨损体积仅为干摩擦的1.7倍，而其他合金＞2倍，且摩擦腐蚀时的腐蚀电流密度最低，为2.620×10⁻⁶ A/cm²，实现了腐蚀与磨损性能的平衡。

(a) 干摩擦和 (b) 摩擦腐蚀下的磨损量, (c) 磨损量比较,TiZrNbMoCux(x = 1,3,5at.%)合金在干摩擦(d)和摩擦腐蚀试验(e)后的三维形貌和SEM图像

TiZrNbMoCux (x = 0, 1, 3, 5 at.%) 合金的腐蚀、耐磨和耐摩蚀性能的比较

(a) 摩擦腐蚀下的OCP, (b) 摩擦腐蚀和PBS溶液中静态腐蚀下的动电位极化曲线和 (c) Icorr的比较, (d-d2) TiZrNbMoCux合金摩擦腐蚀机理示意图

【总结与展望】

该研究制备了Ti₅₄₋ₓZr₁₅Nb₁₄Mo₁₇Cuₓ合金并探究Cu含量对其耐磨蚀性能的影响，得出Ti₅₁Zr₁₅Nb₁₄Mo₁₇Cu₃合金因适度的CuZr析出相优化电位差与氧化膜稳定性，展现出了最优的耐磨蚀性能。未来可进一步进行生物相容性相关研究，推动该类材料向人工骨科植入物临床应用转化。