織構(gòu)化HA-ZrO2生物陶瓷涂層摩擦磨損性能研究.pdf

1、磨損是人工關(guān)節(jié)失效的主要原因之一。人工關(guān)節(jié)植入人體后，每年將產(chǎn)生500萬顆左右的顆粒，直接影響人工關(guān)節(jié)的使用壽命。羥基磷灰石(HA)及其復(fù)合生物陶瓷涂層具有良好的生物活性和生物相容性，是人工植入體的理想材料。然而，涂層具有脆性大、強(qiáng)度低、耐磨性較差等缺陷，較難達(dá)到人體承重部位所需的力學(xué)要求，限制其在人體承重部位的應(yīng)用。因此，改善生物陶瓷涂層材料性能，增加其耐磨性和機(jī)械強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命，是人體關(guān)節(jié)植入材料今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。近幾年，

2、表面織構(gòu)作為一種能夠有效改善表面摩擦學(xué)性能的技術(shù)手段，并被廣泛應(yīng)用于表面油膜動(dòng)壓潤(rùn)滑及干摩擦研究中。
　　本文利用等離子噴涂技術(shù)及飛秒激光加工打孔技術(shù)，在氧化鋯陶瓷增強(qiáng)HA復(fù)合涂層表面制備直徑不同，面覆率不同的圓凹坑形織構(gòu)，利用掃描電子顯微鏡(SEM)和超景深三維輪廓儀表征織構(gòu)表面和截面的形貌，利用顯微硬度儀測(cè)量涂層顯微硬度;利用UMT-3磨損試驗(yàn)機(jī)在模擬人體環(huán)境，在牛血清潤(rùn)滑條件下分別研究不同直徑和面覆率的織構(gòu)涂層與磨損系數(shù)和磨

3、損量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到最佳圓凹坑直徑及面覆率的織構(gòu)。通過觀察不同載荷及往復(fù)速度下最佳織構(gòu)涂層磨損后的織構(gòu)形貌，研究織構(gòu)涂層在牛血清潤(rùn)滑條件下的磨損機(jī)理。本文的主要研究成果如下:
　　(1)通過等離子噴涂技術(shù)在鈦合金表面制備含30wt％的氧化鋯HA復(fù)合生物涂層，利用飛秒激光打孔技術(shù)在復(fù)合涂層表面制備出具有規(guī)則陣列、直徑不同的圓凹坑型織構(gòu)，在相同凹坑直徑的基礎(chǔ)上制備面覆率不同的織構(gòu)。
　　(2)對(duì)織構(gòu)表面及截面形貌進(jìn)行表征后發(fā)

4、現(xiàn)，織構(gòu)整體陣列非常整齊，同一試樣上的圓凹坑直徑大小差別不大，織構(gòu)圓凹坑周邊并沒有由于激光加工而出現(xiàn)的形貌破壞的情況。不同的織構(gòu)凹坑深度有一定的波動(dòng)，但是波動(dòng)值不大。分別對(duì)織構(gòu)表面及激光加工區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，激光加工對(duì)其表面硬度影響不大，但是在其加工區(qū)域、圓凹坑的底部硬度有明顯的提高。
　　(3)在牛血清潤(rùn)滑條件下，對(duì)不同織構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的涂層及未織構(gòu)涂層進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，大多數(shù)的織構(gòu)試樣穩(wěn)定狀態(tài)下的磨擦系數(shù)小于未織構(gòu)

5、試樣，所有織構(gòu)試件的磨損深度均小于未織構(gòu)涂層。其中面覆率為10‰直徑Φ250μm的織構(gòu)試樣具有最小的摩擦系數(shù)及磨損深度。
　　(4)在牛血清潤(rùn)滑條件下，載荷對(duì)面覆率10％，直徑Φ250μm的織構(gòu)涂層的摩擦系數(shù)和磨損率影響較大，織構(gòu)涂層的磨損率和摩擦系數(shù)隨著載荷的增大而增大。織構(gòu)涂層在4N和8N載荷下的磨損表面微觀形貌較為光滑，有一定的光澤感，表面微裂紋較少;在載荷為12N時(shí)，凹坑的形貌被破壞，涂層磨損表面較為粗糙，織構(gòu)凹坑處出現(xiàn)較

6、大的裂紋。最佳涂層在低載荷下的磨損機(jī)理為微觀剝落，隨著載荷進(jìn)一步提高，其磨損機(jī)理轉(zhuǎn)化為塑性形變引起的剝落磨損。
　　(5)在牛血清潤(rùn)滑條件下，試驗(yàn)速度范圍內(nèi)面覆率10％，直徑Φ250μm織構(gòu)涂層的摩擦系數(shù)隨著速度的增加而遞減，其磨損深度，隨著速度的增加先減小后增加。涂層在低速狀態(tài)下，涂層磨損表面較為粗糙，表面有較多磨屑和小坑洞，但是織構(gòu)圓凹坑的形貌保持完整;隨著速度進(jìn)一步提高，牛血清潤(rùn)滑膜的厚度增加，承載能力提高，磨屑與凹坑數(shù)量減

7、少，磨損表面變得更加光滑;但速度達(dá)到0.6m/s時(shí)，涂層的表面形貌是最光滑的，但是其織構(gòu)圓凹坑形貌遭到破壞。磨粒在高速下有著較大的動(dòng)能，在潤(rùn)滑液的帶動(dòng)下對(duì)織構(gòu)圓凹坑產(chǎn)生較大的沖擊，使織構(gòu)凹坑邊緣處材料發(fā)生剝落。
　　(6)通過研究在牛血清潤(rùn)滑狀態(tài)下的stribeck曲線，織構(gòu)涂層能夠比未織構(gòu)涂層以較低的速度進(jìn)入流體潤(rùn)滑階段，速度為0.5m/s，摩擦系數(shù)達(dá)到最小值0.21。
　　綜上所述:HA復(fù)合生物陶瓷涂層經(jīng)飛秒激光加工技術(shù)