純鈦與鈦合金及其氮離子注入層的扭動(dòng)微動(dòng)行為研究.pdf

1、扭動(dòng)微動(dòng)是在法向交變載荷下接觸副間發(fā)生的往復(fù)微幅相對扭動(dòng)，在工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域普遍存在。表面改性技術(shù)具有低成本、易實(shí)現(xiàn)和性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效減緩微動(dòng)損傷、提高材料的抗磨損性能。本研究以典型生物合金材料為研究對象，考察基體材料及其氮離子注入層在扭動(dòng)微動(dòng)中的損傷機(jī)理和機(jī)制，能豐富摩擦學(xué)研究。
　　 本研究選用常用醫(yī)學(xué)材料:純鈦TA2、Ti6A17Nb和Ti6A14V鈦合金三種基材以及三種基材經(jīng)過不同劑量氮離子高能離子注入后的改性樣

2、品。扭動(dòng)實(shí)驗(yàn)采用球-平面接觸，在配有低速高精度往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)和六維傳感器(X、Y、Z方向的力和扭矩）的UMT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。三種基體材料及其改性層為平面試樣，對磨副ZrO2陶瓷球，潤滑環(huán)境采用模擬體液小牛血清溶液介質(zhì)下進(jìn)行。采用顯微硬度儀、光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電子能譜儀(EDX)、X射線衍射儀(XRD)、拉曼光譜(Raman)和表面形貌儀等微觀分析手段，結(jié)合微動(dòng)磨損動(dòng)力學(xué)特性分析，系統(tǒng)研究了純鈦、鈦合金及其離

3、子注入改性層的微動(dòng)運(yùn)行行為和損傷機(jī)理。獲得的主要結(jié)論如下:
　　 1.純鈦與鈦合金金經(jīng)離子注入后，在材料的表面形成了新相氮化鈦，改性層表面呈脈絡(luò)狀突起，表面的粗糙度顯著增大。隨著氮離子注入劑量的增加，改性層的硬度和粗糙度逐漸變大。
　　 2.扭動(dòng)微動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明，氮離子注入很好的提高了純鈦與鈦合金的抗扭動(dòng)微動(dòng)磨損性能。在小角位移θ=0.5°時(shí)，純鈦與鈦合金的T-θ曲線呈現(xiàn)橢圓形，扭動(dòng)微動(dòng)處于混合區(qū)。離子改性層的T-θ曲線開始

4、向直線型轉(zhuǎn)變，說明氮離子使得改性層延緩了滑移區(qū)的到來;θ=5°和15°時(shí)，純鈦與鈦合金基材與改性層的T-θ曲線都呈平行四邊形，扭動(dòng)微動(dòng)磨損運(yùn)行于滑移區(qū)。因此，氮離子注入改性并沒有改變材料在大角位移下的扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域;扭矩循環(huán)曲線一般呈現(xiàn)三個(gè)階段:跑合階段，上升階段以及平穩(wěn)階段，在小角位移下，基材與改性層的扭矩循環(huán)曲線平穩(wěn)且數(shù)值較低。在大角位移下，相比較于改性層，基體進(jìn)入穩(wěn)定的摩擦扭矩階段所需要的循環(huán)次數(shù)更少。
　　 3.研究發(fā)