島津EPMA在醫(yī)用鈦材料中的綜合分析

2025.1.17

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)到更高級別的二次電子圖像分辨率3nm（加速電壓30kV）。

（加速電壓10kV時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時可達(dá)3μA）。在超微量元素的檢測靈敏度上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，使元素面分析時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^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，合金會恢復(fù)到原始形狀。超彈性合金在施加負(fù)荷時會變形，而去除負(fù)荷后則會恢復(fù)到原始形狀?？梢酝ㄟ^改變Ti和Ni的混合比改變相變溫度，還可以通過添加其他元素來改變特性。

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。化合物相中的O、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。通過對圖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.%）和簇中心相對應(yīng)。過濾每個簇后獲得了圖6所示的相圖，分離為TiNi基體相和Ti₄Ni₂O化合物相。