Ti6Al4V高溫固體滲碳工藝及其性能研究.pdf

1、目前在矯形外科領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的Ti6Al4V合金，又稱TC4鈦合金，具有很好的耐蝕性、生物相容性、較高的機(jī)械強(qiáng)度和較好的機(jī)械加工性能。但是，由于鈦合金較差的摩擦學(xué)性能極大的限制了其在人工關(guān)節(jié)中更廣泛得使用。因此研究鈦合金的表面改性技術(shù)，在鈦合金表面制備具有高硬度、耐磨和耐腐蝕性能的陶瓷層，進(jìn)而研究其在生理環(huán)境下的生物摩擦學(xué)性能，對(duì)發(fā)展高性能的人工金屬關(guān)節(jié)、提高醫(yī)用鈦合金人工關(guān)節(jié)的服役壽命，進(jìn)一步促進(jìn)鈦合金在人工假體領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重

2、要意義。
　　本文利用固體滲碳劑對(duì)Ti6Al4V進(jìn)行高溫固體滲碳，在其表面制備高硬度滲碳層，可以有效的避免傳統(tǒng)氣體離子注入滲碳工藝引起的氫脆現(xiàn)象。本文對(duì)在不同工藝條件下滲碳后的表面形貌、成分、耐蝕性和生物摩擦學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，分析滲碳工藝對(duì)滲碳層結(jié)構(gòu)、成分、耐蝕性和摩擦學(xué)性能的影響。
　　表面形貌分析可知，經(jīng)過滲碳處理后試樣的原始表面形貌發(fā)生了很大的改變，表面堆垛大量致密的顆粒狀或棒狀滲碳產(chǎn)物。隨著滲碳溫度的升高，表層結(jié)合力下

3、降，極易剝落。在較高溫度滲碳時(shí)，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，生成的TiC顆粒越粗大。當(dāng)滲碳時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)滲碳顆粒尺寸的影響較小。經(jīng)簡(jiǎn)單拋光后發(fā)現(xiàn)，滲碳層表面存在大量微孔，TiC顆粒堆垛而形成的孔隙中有次生的TiC顆粒生成。
　　滲碳后試樣的原始表面形成一層很薄且疏松的氧化鈦層，并存在少量的碳化鈦、氮化鈦和氧化鋁。氧化物表層的存在并不會(huì)阻礙碳原子在基體中的滲透和擴(kuò)散，對(duì)滲碳過程基本沒有影響。原始表面去除后，經(jīng)XRD分析表面主要是TiC陶

4、瓷層。隨著滲碳溫度的升高，TiC含量增加；滲碳溫度越高，滲碳層越厚；滲碳保溫時(shí)間越長(zhǎng)，滲碳層越厚。滲碳后試樣表面硬度顯著提高，滲碳后試樣表面最大硬度可達(dá)到原始試樣的4倍以上。
　　Ti6Al4V經(jīng)滲碳處理后，在生理鹽水、稀硫酸、SBF溶液中的耐蝕性能下降，但仍屬于耐蝕材料。經(jīng)滲碳處理后，鈦合金表面潤濕性提高，有效的提高Ti6Al4V基體的生物相容性并有利于細(xì)胞的吸附。
　　滲碳后試樣的摩擦系數(shù)沒有顯著的變化，但由于試樣表面硬