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

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1、硕士论文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Ti6A14V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

2、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A1203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

3、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，在舢203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。关键字：Ti6A14V，等离子渗氮，表面织构化，渗氮／表面织构化，摩擦磨损AbstractTitaniumanditsalloysarewidelyusuallyu

4、sedasmetallicbio-materialfortheirexcellentbiocompatibilityandcorrosion-resistance．However,theywerelimitedbytheirpoorwear-resistance．Twoapproachesareusuallyusedtoreduceweagoneistoimprovetheirmechanicalpropertiessuchashardness，theotheristoimprovetheirlubricationcondition．TheSurfa

5、cehardnessoftitaniumalloyscanbeenhancedbyplasmanitridingwhilethelubricationconditioncanbeimprovedbysurfacetexturingintheformofchangingthethicknessoflubricatingfilm．Severalkindsofnitrdinglayerswerepreparedbyplasmanitridinginvarioustemperaturesandkeepingtime．Surfacephasesofnitrid

6、inglayerwereanalyzedbyXRDandthemicrostructureandthe“cknessofnitridelayerswereobservedbyopticalmicroscope．Thehardnessandmoduluswereobtainedbynano·indentationtesterandmicro-hardnesstester．ThebondingstrengthbetweenTiNcompoundlayerandmatrixwasmeasuredbythescratchtester．Asetofoptima

7、lparametersofnitridingWasobtained．SurfacetexturingwithdifferentdimpledensitiesWaSachievedbypulselaser．TheeffectofdimpledensityonfrictionpropertiesWasinvestigated．Atlast，plasmanitridingwasperformedonthetexturedTi6A14Vsampleswithoptimalnitridingparametersandthetribologicalpropert

8、iesoftexturing／nitridingsamplesweretested．Theanalysisr