论文摘要
本文采用分级渗碳技术对Ti6Al4V合金进行表面高温渗碳,制备钛金属陶瓷,并成功制备出了钛金属陶瓷人工髋关节球头。本文通过材料热力学和动力学分析研究钛金属陶瓷的制备工艺,充分理解钛合金渗碳的分级扩散机理。通过对钛金属陶瓷的表面成分、结构、表面形貌、硬度、断裂韧性、接触角、腐蚀电流、摩擦系数、磨损率、磨粒等进行了测试研究,评价钛金属陶瓷表面的微观结构、表面力学性能、电化学腐蚀性能、润湿性能、滑动摩擦学性能和生物摩擦学性能。表面成分分析表明,采用分级渗碳技术可以在医用钛合金进行表面渗碳制备微孔钛金属陶瓷,钛金属陶瓷厚度达到250μm,主要包括微孔碳化钛陶瓷层和扩散层。由于钛金属陶瓷的成分为梯度分布,使钛金属陶瓷没有明显的界面,而形成的钛金属陶瓷处于冶金结合的状态,因此钛金属陶瓷不存在结合力的问题,不会产生涂层脱落的问题。通过对钛金属陶瓷表面进行X衍射和XPS成分分析发现,在钛合金表面生成了纯净致密的面心立方结构的碳化钛陶瓷,钛金属陶瓷中并没有氢化物的存在,不存在氢脆问题。而XPS和辉光能谱分析都表明在钛金属陶瓷中碳原子呈浓度梯度分布,而表面形貌分析则进一步证实,钛金属陶瓷表面的碳化钛在渗碳过程中取向的无序度增加,部分碳化钛会堆垛在一起,形成了较为复杂的微孔结构。钛金属陶瓷表面的TiC陶瓷和其复杂的微孔结构极大地提高了钛合金的表面硬度,钛金属陶瓷的表面维氏硬度高达778 HV,是钛合金的2.3倍,而其纳米硬度也高达到了12 GPa,也是钛合金纳米硬度的2.6倍。同时,钛金属陶瓷保留金属良好的塑性,其断裂韧性值为21 .5×106Pa·m1/2,远高于一般陶瓷的断裂韧性,充分说明钛金属陶瓷兼顾了金属和陶瓷的性能。在研究中还发现,钛合金及钛金属陶瓷的摩擦系数都存在明显的载荷依赖性,但二者具有相反的变化趋势。钛合金的摩擦系数随着载荷的增加而降低,而钛金属陶瓷的摩擦系数随着载荷的增加而增加。另外,钛金属陶瓷表面的微孔结构和表面硬度有效地强化了钛合金表面,提高了钛合金的剪切抗力,在与氧化锆配副进行摩擦时显著降低了材料的摩擦系数,并显著提高了钛合金的耐磨性,并极大地降低了磨屑的浓度。与此同时,钛合金渗碳后其电化学腐蚀性能有所降低,但仍然具有耐蚀性,不影响其使用。研究还发现,表面自由能是影响钛合金润湿性能的重要机制。钛合金渗碳后其表面自由能从26 .3×10-3J/m2增加到了31 .7×10-3J/m2,增加了20.5%;而在去离子水中的接触角从83?降到了71.5?左右,下降了14%左右,极大地提高了材料表面的润湿性能,并且非常接近细胞吸附的最优接触角70°。人工髋关节磨损模拟试验表明,钛金属陶瓷显著提高了关节球头的耐磨性并同时降低了UHMWPE关节臼的磨损,而且钛金属陶瓷有效地控制了UHMWPE磨屑的分布,提高了UHMWPE磨屑的尺寸,这可降低由磨屑引起的细胞毒性反应。本文证据表明,钛金属陶瓷具有很好的力学性能、良好的润湿性、可接受的耐腐蚀性和接近陶瓷材料的生物摩擦学性能,是一种非常有前途的人工关节头制造材料。