Ti6A14V合金及其改性層的沖擊磨損行為研究.pdf

1、Ti6Al4V合金以其良好的耐腐蝕性和生物相容性，以及接近人骨的彈性模量等在生物醫(yī)用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但Ti6Al4V合金耐磨性很差，不耐磨，采用表面涂鍍層與改性處理解決其耐磨難題是經(jīng)濟(jì)而有效的技術(shù)途徑之一。本文采用高頻低壓等離子體浸沒離子注入、非平衡磁控濺射以及磁過濾直流陰極真空弧源沉積技術(shù)，分別在Ti6Al4V合金基體上制得N+注入與氮化層、TiN膜、DLC膜，分析了其沖擊磨損性能及機(jī)理，具有重要的醫(yī)學(xué)應(yīng)用意義和理論指導(dǎo)意義。本文

2、研制了一臺可進(jìn)行小載荷往復(fù)沖擊運(yùn)動的試驗(yàn)機(jī)。并在該機(jī)上對Ti6Al4V合金基體及其改性層進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)研究。借助金相顯微鏡(OM)、X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)及臺階儀等考察了Ti6Al4V合金基體及改性層的沖擊磨損行為，主要結(jié)論如下：
　　 ⑴所研制的沖擊磨損試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)性能參數(shù)(沖擊載荷F、沖擊周次N、沖擊頻率f等)調(diào)節(jié)靈活，試樣裝夾方便；沖擊系統(tǒng)采用球-平面接觸方式，通用性強(qiáng)。該機(jī)采

3、用微機(jī)控制，可控性強(qiáng)、試驗(yàn)精度較高。其適用試驗(yàn)范圍接近一般工程狀態(tài)，試驗(yàn)表明該機(jī)可作為研究材料小載荷沖擊磨損的基本工具。
　　 ⑵基體材料Ti6Al4V及其改性后試樣的磨損深度均隨沖擊周次的增加而增加，但非線性關(guān)系。試樣的沖擊磨損過程可用3個階段來描述，即無磨損階段(Ⅰ)、微量磨損階段(Ⅱ)和嚴(yán)重磨損階段(Ⅲ)，隨沖擊載荷的減小，試樣處于Ⅰ、Ⅱ階段的沖擊周次增加，材料的磨損過程減緩；反之，則加速材料的磨損進(jìn)程。在這3個階段中，試

4、樣處于無磨損階段經(jīng)歷的沖擊周次相對較少，而在微量磨損階段會保持相對較長的沖擊周次，這與沖擊過程中試樣表面的微觀變化密切相關(guān)。試樣進(jìn)入嚴(yán)重磨損階段后疲勞剝落是小載荷沖擊條件下試驗(yàn)試樣的共同失效機(jī)制，其失效的過程是磨損與疲勞的復(fù)合過程。
　　 ⑶在試驗(yàn)試樣中基體材料Ti6Al4V合金的塑性變形量最大，其失效機(jī)理主要表現(xiàn)為粘著磨損和疲勞剝落。離子注入與氮化處理能有效地阻止裂紋的擴(kuò)展、減緩試樣嚴(yán)重磨損的進(jìn)程，使試樣表面抗沖擊磨損能力得到

5、改善；同時，離子注入與氮化處理降低小載荷沖擊時基體材料的粘著性能，從而提高試樣的抗沖擊磨損能力。非平衡磁控濺射TiN薄膜的沖擊磨損機(jī)制主要是塑性變形、疲勞剝落；與基體材料Ti6Al4V合金對比研究表明：TiN薄膜的臨界沖擊周次比基體材料明顯提高。主要原因在于TiN薄膜較高的硬度、表面殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生以及較低的表面粗糙度。利用磁過濾陰極真空弧沉積方法制備的兩種厚度的DLC膜均具有較高的抗沖擊磨損性能，其原因在于DLC膜是由微小顆粒組成的非

6、晶態(tài)結(jié)構(gòu)，硬度較高，膜與基體的結(jié)合力較好。而厚度為303.9 nm的DLC1膜抗沖擊磨損能力優(yōu)于厚度為70.2 nm的DLC2膜，這與膜層厚度及結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。
　　 ⑷小載荷反復(fù)沖擊條件下試樣的失效過程可概括為：塑性變形、裂紋萌生及擴(kuò)展、剝落；并認(rèn)為影響試樣磨損壽命的主要因素有：表面粗糙度、硬度、膜-基結(jié)合強(qiáng)度、表面殘余應(yīng)力等。試驗(yàn)表明：多次沖擊磨損的過程實(shí)質(zhì)上是材料累積損傷的過程；要提高材料的抗沖擊磨損性能，不僅要求材料表面具