钛合金表面织构与等离子渗氮处理及其生物摩擦特性研究

论文摘要

钛及钛合金以其优异的生物相容性,耐腐蚀性以及力学适应性成为最常用的生物医用金属材料,但耐磨性较差。改善钛合金的耐磨性可以从提高其表面力学性能和改善润滑状态两方面入手。离子渗氮能够提高钛合金表面硬度,而表面织构化则能通过改变润滑膜厚度来改善润滑性能。在不同的温度和保温时间条件下,对Ti6Al4V合金进行表面等离子渗氮处理,制备了高硬度渗氮层。通过X射线衍射仪（XRD）对渗氮层表面进行物相分析,用金相显微镜观察渗层厚度,用显微硬度计和纳米压痕仪测试渗层的硬度和模量,并用划痕仪测试化合物层与基体的结合力,经过性能对比获得最佳渗氮工艺参数。通过Nd:YAG脉冲激光器在钛合金表面形成不同密度的织构化微孔,研究微孔密度对钛合金摩擦学性能的影响。最后在最佳渗氮工艺参数条件下对织构化钛合金进行表面渗氮处理,研究织构化/渗氮两步处理对钛合金摩擦学性能的影响。对渗氮层的分析结果表明,700℃,6h的渗氮样品扩散层组织细小,厚度较大,脆性化合物层最薄,划痕实验的临界载荷达到40N,硬度和弹性模量值较基体均有大幅提高。对三种工艺表面改性样品的生物摩擦学性能评价结果表明,在小牛血清润滑条件下与硬质Al2O3陶瓷对磨时,钛合金表面渗氮能够大幅降低摩擦系数和自身的磨损率;而与软质的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）对磨时,表面织构化钛合金则能有效降低配副UHMWPE销的磨损率及其摩擦系数。实验结果表明,表面织构化的最佳孔密度为6.4%,此密度下,配副材料UHMWPE的磨损率和摩擦系数降到最低。表面织构化/渗氮钛合金则结合两者的优势,在Al2O3陶瓷、UHMWPE两种配副情况下,摩擦系数、磨损率均较低,有效地改善了钛合金与不同材料配副时的摩擦磨损性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 医用钛合金表面改性
• 1.2.1 钛合金的表面微观特征
• 1.2.2 钛合金表面改性方法
• 1.2.3 钛合金的辉光离子氮化
• 1.2.4 钛合金表面氮化改善摩擦磨损性能研究进展
• 1.2.5 表面织构化
• 1.3 研究目的及研究内容
• 2 实验方法
• 2.1 实验流程
• 2.2 实验材料
• 2.3 样品制备
• 2.3.1 渗氮样品制备
• 2.3.2 表面织构化样品制备
• 2.3.3 表面织构化/渗氮样品制备
• 2.4 渗氮层检测
• 2.4.1 显微组织分析
• 2.4.2 表面物相分析
• 2.4.3 显微硬度测定
• 2.4.4 纳米压痕
• 2.4.5 划痕试验
• 2.4.6 扫描电镜（SEM）
• 2.5 表面织构化样品表面形貌表征
• 2.6 摩擦磨损试验
• 2.6.1 对磨材料
• 2.6.2 润滑液
• 2.6.3 摩擦磨损试验
• 3 TI6AL4V的等离子渗氮工艺研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 渗氮工艺
• 3.1.2 力学性能测试
• 3.1.3 摩擦磨损实验
• 3.2 实验结果
• 3.2.1 温度对渗氮层的影响
• 3.2.2 保温时间对渗氮层的影响
• 3.2.3 渗氮机理讨论
• 3.2.4 渗氮层的力学性能
• 3.3 摩擦磨损性能
• 2O₃陶瓷球摩擦副'>3.3.1 Ti6Al4V/Al₂O₃陶瓷球摩擦副
• 3.3.2 Ti6Al4V/UHMWPE摩擦副
• 3.4 本章结论
• 4 TI6AL4V的激光表面织构化
• 4.1 表面微孔的形貌表征
• 4.1.1 微孔的表面形貌
• 4.1.2 微孔的剖面形貌
• 4.2 显微硬度
• 4.3 摩擦磨损性能
• 4.3.1 织构化对摩擦磨损性能的影响
• 4.3.2 微孔密度对摩擦磨损性能的影响
• 4.4 分析讨论
• 4.5 本章结论
• 5 表面织构化/等离子渗氮的协同作用
• 5.1 形貌表征
• 5.2 表面织构化/离子渗氮钛合金的摩擦磨损性能
• 2O₃陶瓷球摩擦副'>5.2.1 表面织构化/离子渗氮Ti6Al4V/Al₂O₃陶瓷球摩擦副
• 5.2.2 表面织构化/离子渗氮Ti6Al4V/UHMWPE销摩擦副
• 5.3 综合分析讨论
• 2O₃摩擦副'>5.3.1 改性Ti6Al4V/Al₂O₃摩擦副
• 5.3.2 改性Ti6Al4V/UHMWPE摩擦副
• 5.4 本章结论
• 6 改性表面润滑机理研究
• 6.1 润滑状态的判定
• 6.2 实验分析
• 6.2.1 速度的影响
• 6.2.2 载荷的影响
• 6.3 润滑膜厚度的计算及润滑机制的确定
• 6.3.1 赫兹接触力学
• 6.3.2 最小液膜厚度的计算
• 6.4 本章结论
• 结论
• 创新点
• 致谢
• 参考文献
• 附录