1、概(gai)述
目(mu)前(qian)，用于外科(ke)植入物(wu)和矫形器械(xie)的(de)医(yi)用金属材(cai)料(liao)主要(yao)形(xing)成(cheng)了不(bu)锈钢、钴基合金(jin)和(he)钛(tai)合金 3 大系列(lie) [1] ，而(er)钛(tai)合金(jin)由(you)于比(bi)重(zhong)小(xiao)、比强(qiang)度高(gao)、弹性模(mo)量(liang)低、耐腐蚀以(yi)及(ji)优(you)良的生(sheng)物(wu)相容性和加(jia)工(gong)成(cheng)形(xing)性(xing)被(bei)越来越(yue)多(duo)地(di)应(ying)用于(yu)医(yi)疗(liao)领(ling)域(yu)，其(qi)中(zhong)钛合(he)金棒丝(si)材主(zhu)要(yao)用于(yu)加(jia)工(gong)制造(zao)植入人体(ti)的(de)功能(neng)结构材(cai)料(liao)，如长尾(wei)椎弓根螺(luo)钉(ding)、定向椎弓(gong)根螺(luo)钉(ding)、股骨(gu)逆行髓(sui)内(nei)钉(ding)及连接棒(bang)等(deng)。由于产(chan)品设(she)计及加工(gong)条(tiao)件等(deng)因素影(ying)响，部(bu)分(fen)钛合金(jin)棒(bang)丝(si)材表面会(hui)保留(liu)到最(zui)终(zhong)产品(pin)，所(suo)以医(yi)用(yong)钛合金棒(bang)丝材对(dui)表(biao)面(mian)质量(liang)要(yao)求很高(gao)。而(er)钛(tai)棒(bang)钛(tai)丝材(cai)表(biao)面缺(que)陷(xian)中，细(xi)微(wei)裂纹(wen)的(de)危害最大(da)。本(ben)文(wen)选取(qu)目前常(chang)用规(gui)格(ge)的(de)医(yi)用(yong)钛(tai)合金棒(bang)丝(si)材(cai)，采(cai)用目(mu)前工(gong)业上(shang)已经应(ying)用的(de)目(mu)视、超声等(deng)无损(sun)检(jian)测方法开展(zhan)了(le)实(shi)验(yan)。
2、实验
2.1 实(shi)验材(cai)料(liao)
实(shi)验选(xuan)择目前常(chang)用(yong)的(de)医(yi)用钛合金(jin)棒丝(si)材共(gong) 20 支，其中φ2.4mm 丝(si)材(cai) 3 支(zhi)、φ5.1mm 丝(si)材 3 支(zhi)、φ5.2mm 丝(si)材 3 支(zhi)、φ6.0mm 棒(bang)材(cai) 3 支、φ13.5mm 棒(bang)材 2 支、φ14.5mm 棒材(cai) 2 支及(ji) φ16.5mm 棒(bang)材 4 支(zhi)，棒(bang)丝(si)材(cai)长(zhang)度范(fan)围(wei)为 2000~3000mm。
2.2 实验(yan)流程(cheng)
2.3 实(shi)验设(she)备
本(ben)次(ci)实验采用的检(jian)测(ce)设备(bei)有(you)：手(shou)持(chi)放大(da)镜(jing)、体式放(fang)大(da)镜(jing)、蔡司(si)光学显微(wei)镜、CTS-22 型超声(sheng)探伤仪、EEC 涡(wo)流(liu)探(tan)伤(shang)仪(yi)、X 射(she)线探伤(shang)机(ji)、DPT-5 型着(zhe)色(se)渗(shen)透(tou)探伤(shang)剂(ji)及自乳(ru)化/后乳化荧(ying)光(guang)渗透检测系(xi)统(tong)。
3 实(shi)验结(jie)果(guo)与分析
3.1 目(mu)视检测(ce)
目(mu)视(shi)检测(ce)中(zhong) 3 支 φ2.4mm 丝材(cai)、2 支 φ5.2mm 丝材、1支 φ6.0mm 棒(bang)材(cai)、1 支(zhi) φ13.5mm 棒材(cai)、1 支(zhi) φ14.5mm 棒材(cai)、2 支φ16.5mm 棒材(cai)未(wei)检(jian)出裂纹(wen)，而(er)其(qi)余棒(bang)材均(jun)发现不(bu)同(tong)程(cheng)度裂纹，对裂(lie)纹(wen)位置进行(xing)标(biao)记和记(ji)录(lu)，如图 1 和(he)图 2 所(suo)示。
3.2 超声/涡(wo)流(liu)检(jian)测
3.2.1 超(chao)声(sheng)横(heng)波检验
对(dui) φ13.5mm、φ14.5mm、φ16.5mm 棒材(cai)进行(xing)超声横波(bo)检(jian)验，采(cai)用 CTS-22 超(chao)声波探(tan)伤仪及水浸(jin)聚焦(jiao)探(tan)头，人(ren)工槽(cao)伤尺寸为 15×0.1×0.1mm（长×宽(kuan)×深(shen)）。探(tan)伤结果如(ru)下：
φ13.5mm 的(de) 1# 棒(bang)材有(you)不(bu)超(chao)标(biao)的(de)单(dan)显信(xin)号（-6dB），2# 未发(fa)现缺(que)陷(xian)信(xin)号；φ14.5mm 的 1# 棒(bang)材(cai)有(you)不(bu)超标(biao)的单显(xian)信(xin)号(hao)（-3dB），2# 未(wei)发现(xian)缺陷信号；φ16.5mm 的 1#、3#、4# 棒材(cai)未(wei)发现缺(que)陷(xian)信号(hao)，2# 有(you)超标缺陷信(xin)号（+2dB），且该棒材其余部(bu)分还(hai)存在不超标(biao)的(de)单显(xian)信(xin)号（-3~-1dB）。
3.2.2 涡(wo)流检验
对(dui) φ5.1mm、φ5.2mm 和 φ6.0mm 棒丝(si)材进(jin)行涡流(liu)探伤，采用 EEC-22+涡流(liu)探伤(shang)仪及穿过式(shi)涡(wo)流(liu)探头(tou)，灵敏度(du)用(yong) φ5.5mm 标(biao)准人(ren)工伤(shang)（15×0.1×0.1mm）（长(zhang)×宽×深(shen)）设(she)置，采(cai)用(yong)不(bu)同(tong)的频率(lv)和(he)增益(yi)参(can)数，对棒、丝材(cai)进行涡流探(tan)伤，结(jie)果 9 支(zhi)棒(bang)丝(si)材均(jun)没(mei)有明(ming)显(xian)的缺陷信(xin)号(hao)，不能有效(xiao)检出(chu)棒丝材表面(mian)裂纹缺(que)陷(xian)。
3.3 X 射(she)线(xian)检测(ce)
对 φ5.2mm 的 2#、3# 丝材(cai)和(he) φ5.5mm 标(biao)准棒，进行(xing)了X 射线检(jian)测，结果只有标(biao)准(zhun)棒的人(ren)工(gong)伤在(zai)底片上(shang)可(ke)见，其中 15×0.2×0.2mm（长(zhang)×宽×深(shen)）的(de)人(ren)工(gong)伤清晰(xi)可见，5×0.1×
0.1mm 的人(ren)工伤(shang)隐(yin)约(yue)可见，而(er) φ5.2mm 的 2#、3# 棒(bang)材(cai)裂纹(wen)均未被发现。
3.4 着(zhe)色检测(ce)
对(dui) 10 支棒丝材进(jin)行着(zhe)色(se)渗透(tou)检查(cha)，结果 3 支(zhi) φ2.4mm丝材、φ5.2mm1# 和 φ14.5 mm2# 均(jun)未(wei)有(you)裂(lie)纹(wen)显(xian)示(shi)出(chu)来，而(er)其余(yu)棒(bang)丝(si)材则(ze)发现有不(bu)同(tong)程度(du)的显示(shi)，结果如图 3 所示(shi)。
φ16.5mm2# 棒(bang)材(cai)裂(lie)纹显示最为(wei)明(ming)显(xian)，而(er) φ5.2mm 的 2# 和(he)3# 丝材(cai)裂(lie)纹显示(shi)太浅(qian)，无法(fa)辨(bian)识(shi)。
因(yin) 3 支(zhi) φ5.2 mm 丝(si)材(cai)中 2 支有肉眼(yan)可见(jian)的裂(lie)纹，但着色(se)后(hou)并未(wei)明(ming)显(xian)显(xian)示，故(gu)对其(qi)进行(xing)白(bai)化(hua)处(chu)理后(hou)再(zai)次(ci)着色，显像 30 分(fen)钟(zhong)后，看到(dao) 2# 和 3# 丝(si)材有(you)裂纹(wen)显现出来(lai)，但(dan)是(shi)颜(yan)色很(hen)浅(qian)，而 1# 仍(reng)未(wei)显(xian)示出裂(lie)纹(wen)缺(que)陷，结(jie)果(guo)如图(tu) 4 所(suo)示。
3.5 荧(ying)光(guang)检(jian)测
依(yi)据 HB/Z61-1998 标(biao)准，采(cai)用(yong) 3 级灵敏(min)度进行(xing)荧光渗透检(jian)测(ce)，除(chu) φ2.4 的 1~3#、φ5.2 的(de) 1~2# 及 φ16.5 的(de) 4# 未发现(xian)裂(lie)纹外，其他(ta)棒(bang)丝(si)材都(dou)发现了裂(lie)纹(wen)类(lei)缺陷(xian)显示。
3.6 结果(guo)验证(zheng)及(ji)分析
为(wei)了对(dui)比(bi)各种(zhong)检测(ce)方(fang)法对钛(tai)合(he)金(jin)棒材表(biao)面(mian)裂纹(wen)的检验(yan)效(xiao)果(guo)，根据记录，对每种(zhong)检验方法(fa)检(jian)测(ce)出的(de)裂(lie)纹位(wei)置(zhi)及(ji)认(ren)为合(he)格的(de)位(wei)置，进(jin)行横截面(mian)显微(wei)金(jin)相(xiang)观(guan)察(cha)。结果(guo)发(fa)现：
目视(shi)检测(ce)能够检出(chu)大部(bu)分表(biao)面开(kai)口(kou)较(jiao)宽(kuan)的裂纹(wen)，对于(yu)表面开口(kou)宽(kuan)度很小的(de)细微(wei)裂(lie)纹缺(que)陷(xian)容易(yi)漏(lou)检(jian)，借(jie)助(zhu)放大(da)镜(jing)进行(xing)观(guan)察能(neng)得到(dao)一(yi)定程度(du)的改(gai)善。
超(chao)声(sheng)横波(bo)检(jian)测时(shi)，检测(ce)灵(ling)敏度越高，杂波也(ye)会越高，当量(liang)小(xiao)于人工槽(cao)伤（15×0.1×0.1mm）的(de)缺陷(xian)，其回波(bo)幅(fu)度(du)低(di)，不(bu)容(rong)易和(he)杂(za)波或者表(biao)面划(hua)痕回(hui)波区分开(kai)，可(ke)以有效(xiao)检(jian)出(chu)当
量(liang)大于(yu)最小(xiao)人(ren)工伤(shang)（15×0.1×0.1mm）的(de)棒(bang)材近表面裂纹(wen)缺陷。
射线(xian)检(jian)验比较容易发现(xian)具有一定体(ti)积的(de)缺陷(xian)，不适(shi)合用于(yu)面积性裂纹类缺陷的(de)检(jian)测；涡(wo)流(liu)检(jian)测结果受棒丝材表(biao)面(mian)状(zhuang)况(kuang)和缺(que)陷(xian)特(te)征等影响(xiang)，尤其对(dui)缺陷深(shen)度(du)敏(min)感(gan)，若(ruo)缺陷(xian)深(shen)度(du)很(hen)浅则不易和划(hua)痕区分开(kai)。
着色检测(ce)可以(yi)检(jian)出(chu)毛(mao)细作(zuo)用(yong)明(ming)显(xian)（本(ben)实(shi)验(yan)中深(shen)宽比(bi)大于(yu) 1.5）的开(kai)口裂(lie)纹(wen)缺(que)陷，棒(bang)材(cai)白(bai)化(hua)（弱(ruo)酸(suan)洗(xi)）后(hou)进(jin)行(xing)着色(se)，缺(que)陷显(xian)示(shi)变得明显，检(jian)出(chu)率有所(suo)提高。
荧(ying)光(guang)检(jian)验(yan)相(xiang)比(bi)于(yu)着(zhe)色及上(shang)述(shu)其他(ta)检测方法(fa)对(dui)于表面(mian)开(kai)口(kou)微(wei)裂纹灵(ling)敏(min)度高，细(xi)微(wei)裂纹缺(que)陷显示(shi)更直观(guan)也更突(tu)出，能(neng)够(gou)检出的(de)微裂纹(wen)尺寸(cun)也(ye)更小，表(biao)面微裂纹(wen)的检(jian)出(chu)率(lv)也(ye)更高(gao)。
对荧(ying)光检(jian)测的(de)结(jie)果(guo)进(jin)行横(heng)截(jie)面(mian)金相(xiang)分析(xi)，并(bing)不(bu)是(shi)荧(ying)光(guang)检测(ce)标(biao)识(shi)出的所(suo)有位置都有(you)裂(lie)纹的存在，而(er)在(zai)某(mou)些(xie)荧光检测(ce)未(wei)标(biao)识(shi)缺陷(xian)的位置却(que)发现了裂(lie)纹，如(ru)图 5、6 所(suo)示(shi)。
对于(yu)荧(ying)光(guang)检测漏检、误检(jian)的原因，经分析(xi)认(ren)为(wei)，是由于(yu)医用棒丝(si)材其(qi)曲率(lv)半径(jing)小而曲(qu)率大(da)，长(zhang)径比很大的外(wai)形(xing)特(te)征及其不(bu)大于 0.8μm 表面(mian)粗糙(cao)度对荧光(guang)检(jian)测造(zao)成了影响，如图(tu) 7 所示(shi)。具(ju)体(ti)说(shuo)来，对荧光(guang)渗透液(ye)的渗透(tou)和清洗过程(cheng)乃(nai)至(zhi)暗室(shi)检测(ce)都(dou)提出了考(kao)验。譬如荧(ying)光(guang)渗透(tou)检(jian)测过程中棒(bang)丝(si)材(cai)之间(jian)的隔(ge)离(li)和支撑(cheng)都有可(ke)能(neng)对检测结(jie)果(guo)造成(cheng)影(ying)响(xiang)，如(ru)图(tu) 7 中所示(shi)荧(ying)光(guang)检测(ce)漏检的 φ14.5mm2# 棒材(cai)表(biao)面裂纹只(zhi)有(you)10mm 长，认(ren)为(wei)可能是由于棒(bang)丝(si)材(cai)相互(hu)挤压挨(ai)碰(peng)在一起而使(shi)渗(shen)透(tou)液未能(neng)充(chong)分(fen)渗(shen)透(tou)而(er)导致(zhi)漏检(jian)。医(yi)用(yong)棒(bang)丝材(cai)又(you)细又(you)长(zhang)的圆柱(zhu)体(ti)几何(he)特征，给荧(ying)光(guang)渗(shen)透(tou)液(ye)的(de)清(qing)洗造(zao)成(cheng)了(le)麻(ma)烦，很容易(yi)出(chu)现(xian)棒(bang)丝(si)材(cai)某(mou)一部位清洗程(cheng)度(du)刚(gang)好的(de)同时其他(ta)部(bu)位(wei)清(qing)洗不(bu)充分或者(zhe)过度的(de)情况(kuang)。清(qing)洗不充分，则(ze)棒材表(biao)面(mian)的(de)某(mou)些划(hua)伤(shang)，可(ke)能(neng)会(hui)残(can)留荧光(guang)渗透液(ye)并在后(hou)续(xu)显像(xiang)中(zhong)显示为线(xian)状(zhuang)缺陷(xian)，如(ru) φ5.1 mm 丝(si)材(cai)的 3# 及 φ6.0 mm 棒(bang)材(cai)的1# 和 2#，经(jing)解剖(pou)，在荧(ying)光(guang)检(jian)测(ce)标(biao)出(chu)的裂(lie)纹位置(zhi)只(zhi)发现划(hua)伤(shang)并未发(fa)现裂(lie)纹；如(ru)图 5 中(zhong)所(suo)示的 φ16.5mm3# 棒材(cai)表面裂纹，由于深宽(kuan)比(bi)很(hen)小，容(rong)易(yi)过(guo)清洗(xi)，荧(ying)光检测(ce)则漏(lou)检(jian)了。暗室(shi)观(guan)察这种(zhong)细且长(zhang)的(de)棒丝材也(ye)有一(yi)定的困(kun)难(nan)，譬(pi)如(ru)图(tu) 6 中(zhong)φ16.5mm3# 棒(bang)材(cai)在荧(ying)光检(jian)测时(shi)，暗(an)室起初观(guan)察有(you)裂纹(wen)类缺(que)陷显(xian)示(shi)，但后来(lai)又被(bei)排(pai)除，判(pan)定为划痕(hen)。
4、结(jie)束(shu)语
本次实验(yan)，对(dui)于医用(yong)钛合金(jin)棒丝材，目视检(jian)测(ce)能(neng)够检(jian)出大部(bu)分表面(mian)开口较宽(kuan)的(de)裂纹(wen)缺(que)陷，只(zhi)是(shi)对于(yu)表面(mian)开口(kou)宽(kuan)度很小细微裂纹缺(que)陷(xian)容(rong)易(yi)漏检(jian)，借(jie)助放(fang)大镜(jing)进行观(guan)察能(neng)够(gou)得(de)到一(yi)定程(cheng)度(du)的改(gai)善；超(chao)声(sheng)横波可以(yi)检(jian)出缺陷(xian)当量不小于(yu)最(zui)小(xiao)人(ren)工(gong)伤（15×0.1×0.1mm）的棒材(cai)近表(biao)面裂纹(wen)缺陷(xian)；射(she)线检验容(rong)易发现具(ju)有一(yi)定体(ti)积的(de)缺(que)陷(xian)，对(dui)于面(mian)积(ji)性的(de)裂(lie)纹缺陷(xian)不易检(jian)出；着色(se)检(jian)测(ce)可(ke)以检出毛细作用(yong)明(ming)显(xian)（本(ben)实(shi)验(yan)中(zhong)深(shen)宽(kuan)比大于(yu) 1.5）的开口裂(lie)纹缺陷(xian)，棒(bang)材白化（弱(ruo)酸(suan)洗）后进行着(zhe)色(se)，缺(que)陷显示变(bian)得明显，检出率(lv)有所提高；荧(ying)光(guang)检测(ce)相比于(yu)着(zhe)色(se)和(he)其他(ta)上述检(jian)测方法对表面开(kai)口(kou)细微(wei)裂纹的(de)检测(ce)效(xiao)果要好(hao)，细(xi)微裂(lie)纹(wen)缺(que)陷(xian)显示(shi)更(geng)直观(guan)也(ye)更(geng)突出，能(neng)够检出的(de)微(wei)裂纹(wen)几何尺寸(cun)也更小(xiao)，表面(mian)微裂(lie)纹的(de)检出率(lv)也(ye)更高。但(dan)医用棒丝材的(de)形状(zhuang)特(te)点(dian)和表面(mian)特征(zheng)，对荧(ying)光渗(shen)透液(ye)的渗透(tou)和(he)清(qing)洗过(guo)程(cheng)乃至(zhi)暗(an)室检测都(dou)提(ti)出(chu)了(le)考验，导致(zhi)荧(ying)光渗(shen)透检测也会(hui)出现(xian)漏(lou)检和误判(pan)现(xian)象。综而(er)言之，目视(shi)、超声横波、涡(wo)流(liu)、射线、着(zhe)色(se)及荧光(guang)检(jian)测各有其(qi)优(you)点(dian)和(he)局限(xian)，相对而言(yan)，荧光(guang)渗透(tou)检测对医(yi)用钛合(he)金(jin)棒(bang)丝(si)材表(biao)面(mian)开(kai)口(kou)表面(mian)细(xi)微(wei)裂(lie)纹(wen)的检测效(xiao)果较(jiao)其(qi)它方(fang)法更好，但(dan)因(yin)棒(bang)丝材形(xing)状和表面特征影(ying)响(xiang)，也会出(chu)现漏(lou)检和误判(pan)现(xian)象(xiang)。
当然，本次(ci)实(shi)验(yan)选(xuan)用(yong)钛(tai)合(he)金(jin)棒(bang)丝材数(shu)量有限(xian)，同时(shi)受检(jian)测(ce)设备和人员水(shui)平等因素(su)影(ying)响，实验(yan)结(jie)果(guo)可(ke)能并不具有(you)代表性(xing)。仅(jin)在一(yi)定程(cheng)度上(shang)，对医用钛合(he)金棒丝(si)材的工(gong)业(ye)化(hua)无(wu)损(sun)检(jian)测(ce)提供了(le)参(can)考。笔者(zhe)谨以(yi)此(ci)文抛(pao)砖引玉(yu)，希望(wang)有(you)新(xin)的(de)无(wu)损检(jian)测(ce)方法或者设备(bei)能够被推(tui)出和(he)应用(yong)，解(jie)决(jue)医(yi)用(yong)钛(tai)合(he)金(jin)棒丝(si)材表(biao)面裂纹(wen)类缺陷工业化无(wu)损检测的难题。
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