Ti6Al4V合金等离子体基离子注氧层XPS研究

采用等离子体基离子注氧技术(O2-PBⅡ)对Ti6Al4V合金进行了表面改性处理,实验过程中改变注入离子能量的工艺参数,负脉冲偏压分别为10、20、30 kV,离子注入过程中样品台通油冷却以实现低温注入;用XPS对离子注氧层的深度、成分及化学结构进行了系统的分析.结果表明:随着注入离子能量的增加,Ti6Al4V合金表面改性层的深度明显增加,改性层的外层由一定厚度的TiO2组成,外层与内层基体之间存在Ti2O3和TiO;Al元素在改性层的外层以氧化物形式存在,且该氧化物趋于表面生长;在表面改性层的外层未发现V及其氧化物.     

Ti6Al4V合金等离子体基氧离子注入层的层状结构

采用等离子体基氧离子注入技术对Ti6Al4V合金进行表面改性。注入负脉冲电压分别为10、20、30、40、50kV，注入剂量为0．6×10^17ions／cm^2。用XPS分析了注氧层中元素的分布和化学态。结果显示，注入电压增加，氧的浓度深度分布增加。注入氧元素的浓度深度分布曲线不同于束线式注入氧元素的类高斯分布，表面氧浓度最大，随着深度的增加出现一个略倾斜的氧浓度平台，该平台的宽度随注入电压增加而增加。氧离子注入引起基体元素Ti、Al、V的浓深分布发生变化，近表面区域Ti的原子百分含量减少，Al的含量增高，而V未检测到。并且随着注入电压的增加，近表面区域富集Al的浓度明显增加，富Al贫V的区域也明显加大。注入样品的改性层具有相似的层状结构，由表及里依次为表面污染层、TiO2和Al2O3组成薄的外层、内层在改性层中占的比例最大，由TiO2、Ti2O3、TiO、Ti、Al、Al2O3．V和VO组成。     

Ti6A14V合金等离子体基氧离子注入层的层状结构

采用等离子体基氧离子注入技术对Ti6A14V合金进行表面改性.注入负脉冲电压分别为10、20、30、40、50kV,注入剂量为0.6×1017 ions/cm2.用XPS分析了注氧层中元素的分布和化学态.结果显示,注入电压增加,氧的浓度深度分布增加.注入氧元素的浓度深度分布曲线不同于束线式注入氧元素的类高斯分布,表面氧浓度最大,随着深度的增加出现一个略倾斜的氧浓度平台,该平台的宽度随注入电压增加而增加.氧离子注入引起基体元素Ti、Al、V的浓深分布发生变化,近表面区域Ti的原子百分含量减少,Al的含量增高,而V未检测到.并且随着注入电压的增加,近表面区域富集Al的浓度明显增加,富Al贫V的区域也明显加大.注入样品的改性层具有相似的层状结构,由表及里依次为表面污染层、TiO2和Al2O3组成薄的外层、内层在改性层中占的比例最大,由TiO2、Ti2O3、TiO、Ti、Al、Al2O3,V和VO组成.     

Ti6Al4V合金表面离子注入N+C,Ti+N和Ti+C性能研究

采用等离子体基离子注入的方法在Ti6Al4V合金表面分别注入N+C、Ti+N和Ti+C元素,注入剂量均为2×1017 ions/cm2,N+C和Ti+N元素的注入负脉冲偏压为-50 kV,Ti+C元素的注入电压分别为-20 kV、-35 kV和-50 kV。通过X射线光电子能谱仪（XPS）和X射线衍射仪（XRD）对注入层进行了微观结构分析,结果表明：Ti+C注入层中存在TiC和Ti-O,Ti+N注入层中存在TiN和Ti-O键。采用纳米压痕仪和球盘磨损试验机对注入层的硬度和摩擦学性能进行了研究。结果表明：在相同注入电压下,Ti+C注入层的硬度最高,其次是Ti+N注入层,N+C注入层的硬度最低;Ti+C 注入层的硬度随着注入电压的增大而增大,最大硬度为11.2GPa。50kV注入层Ti+C具有最低的比磨损率,其值为6.7×10-5mm3/N.m,比磨损率较未处理Ti6Al4V基体下降了1 个数量级以上,表现出优异的耐磨损性能。     

Ti6Al4V合金表面离子注入N+C,Ti+N和Ti+C性能研究（英文）

采用等离子体基离子注入的方法在Ti6Al4V合金表面分别注入N+C、Ti+N和Ti+C元素,注入剂量均为2×10~(17)ions/cm~2,N+C和Ti+N元素的注入负脉冲偏压为-50kV,Ti+C元素的注入电压分别为-20,-35和-50kV。通过X射线光电子能谱仪(XPS)和X射线衍射仪(XRD)对注入层进行了微观结构分析。结果表明:Ti+C注入层中存在TiC和Ti-O,Ti+N注入层中存在TiN和Ti-O键。采用纳米压痕仪和球盘磨损试验机对注入层的硬度和摩擦学性能进行了研究。结果表明:在相同注入电压下,Ti+C注入层的硬度最高,其次是Ti+N注入层,N+C注入层的硬度最低;Ti+C注入层的硬度随着注入电压的增大而增大,最大硬度为11.2 GPa。50kV注入层Ti+C具有最低的比磨损率,其值为6.7×10~(-5) mm~3/N·m,比磨损率较未处理Ti6Al4V基体下降了1个数量级以上,表现出优异的耐磨损性能。     

Ti6Al4V合金表面Ti(C,N)改性层的摩擦性能

利用双层辉光等离子表面冶金技术,以石墨为源极,Ti6Al4V为阴极,一定比例的氮气和氩气为载气,在其表面形成Ti(C,N)改性层。观察分析了改性层的成分、显微组织及相结构,评价了其纳米硬度和室温干滑动磨损条件下的摩擦磨损性能。结果表明:改性层主要组成相为Ti(C0.3N0.7);碳、氮元素分布由表及里呈梯度分布;改性层纳米硬度高达41 GPa,较基体明显提高;在室温干摩擦磨损条件下,改性层与基体相比,摩擦因数由0.45降低到0.28,比磨损率也大大下降,表现出优异的耐磨减摩性能。     

Ti6Al4V辉光等离子渗铝摩擦磨损性能研究

利用双层辉光等离子渗金属技术在Ti6Al4V上渗铝以提高材料的摩擦磨损性能,对渗铝层的相结构和显微硬度进行了测试.采用球盘滑动磨损试验机对渗层进行摩擦磨损性能测试.结果表明:渗铝后渗层由Al3Ti和Al组成,材料的硬度值较基体Ti6Al4V有了很大的提高;材料摩擦因数和磨损体积减小,耐磨性得到提高.通过磨痕形貌分析可知,渗层磨损机制为粘着磨损.可见采用辉光等离子渗铝技术改善了材料的摩擦磨损性能.     

喷丸直径对Ti6Al4V表面改性层生物摩擦学性能的影响北大核心CSCD

为改善Ti6Al4V的生物摩擦学性能,分别采用直径为4、6和10 mm的喷丸对其进行表面强化处理,然后用TR240粗糙度仪测表面改性层的表面粗糙度Ra,在MRTR多功能摩擦磨损试验机上以ZrO_2球/Ti6Al4V表面改性层为摩擦副进行人工唾液和透明质酸钠溶液润滑下的生物摩擦学试验,使用S-3000N扫描电子显微镜观察Ti6Al4V表面改性层的组织形貌和生物摩擦学试验后的磨痕形貌。结果表明:随着喷丸直径的增大,Ti6Al4V表面改性层的表面粗糙度Ra从1.32μm降低到1.05μm,生物摩擦学试验中的摩擦因数呈现出先降低后增大的变化趋势,改性层磨痕的磨损程度呈现出先减轻后加重的变化趋势,但不同直径喷丸二次强化所获得改性层的各项性能在试验中都最差。     

喷丸直径对Ti6Al4V表面改性层生物摩擦学性能的影响

为改善Ti6Al4V的生物摩擦学性能,分别采用直径为4、6和10 mm的喷丸对其进行表面强化处理,然后用TR240粗糙度仪测表面改性层的表面粗糙度Ra,在MRTR多功能摩擦磨损试验机上以ZrO_2球/Ti6Al4V表面改性层为摩擦副进行人工唾液和透明质酸钠溶液润滑下的生物摩擦学试验,使用S-3000N扫描电子显微镜观察Ti6Al4V表面改性层的组织形貌和生物摩擦学试验后的磨痕形貌。结果表明:随着喷丸直径的增大,Ti6Al4V表面改性层的表面粗糙度Ra从1.32μm降低到1.05μm,生物摩擦学试验中的摩擦因数呈现出先降低后增大的变化趋势,改性层磨痕的磨损程度呈现出先减轻后加重的变化趋势,但不同直径喷丸二次强化所获得改性层的各项性能在试验中都最差。     

Ti6Al4V钛合金表面双层辉光等离子W-Mo共渗及其腐蚀磨损性能研究

为了改善TC4的腐蚀磨损性能,采用双层辉光等离子表面冶金技术对Ti6Al4V钛合金进行W-Mo共渗,并对其腐蚀磨损性能进行研究。结果表明:在Ti6Al4V钛合金表面W-Mo共渗可形成均匀的、由沉积层和扩散层构成的W-Mo改性层;该改性层与Ti6Al4V钛合金基体相比,在空气中,5%H2SO4(质量分数)溶液和5%NaCl(质量分数)溶液中的摩擦系数均有所降低,磨损形貌得到改善,在5%H2SO4和5%NaCl溶液中的磨损量更是显著减小。结果表明,在Ti6Al4V钛合金表面W-Mo共渗可显著提高其耐腐蚀磨损性能。     

Friction and wear properties of UHMWPE against ion implanted titanium alloy

In this study, a new two-step plasma immersion ion implantation technique was developed and applied for the modification of Ti6Al4V alloy; firstly ion implanting with nitrogen at high temperature and followed with oxygen in high dose. A graded titanium oxide-titanium nitride film was obtained on the surface of the Ti6Al4V alloy. The contact angle and the microhardness of the modified alloys were measured. The friction and wear properties of UHMWPE rubbing against the modified alloys under lubrication of distilled water were investigated using a pin-on-disc tribometer. The wettability and the microhardness of the alloy surfaces were found to be increased significantly after ion implantation. The friction coefficient decreased by nearly 5 times and the wear resistance of UHMWPE increased by about 40 times against the ion implanted Ti6Al4V alloy. Many deep furrows were found on the surface of the un-implanted alloy and were absent in the ion implanted surfaces of the alloy.     

Ag和Ta离子双注入改善Ti6Al4V合金耐磨性能

采用Ag和Ta离子双注入对医用Ti6Al4V合金进行表面改性, 即以Ag离子1.0×10¹⁷ cm^-2 先注入、以Ta离子1.5×10¹⁷ cm^-2 后注入合金样品表面. 采用纳米力学探针研究离子注入前、后Ti6Al4V样品表面硬度随压入深度的变化, 利用多功能摩擦磨损试验机分析离子注入前、后样品的耐磨性, 利用XRD和XPS研究样品表面的物相组成和元素化合态. 结果表明, 离子注入后样品磨损量降低了77%. 耐磨损性能的明显改善归因于样品硬度增加, 磨损开始阶段保持低摩擦系数的时间较长和离子注入后合金固溶强化.     

Ti6Al4V钛合金表面真空渗氧处理

目的在Ti6Al4V钛合金表层制备硬度高、耐磨性好的硬化层。方法结合真空技术,以高纯的O2为介质,在Ti6Al4V钛合金表面制备致密的渗氧硬化层,采用X衍射仪分析渗氧层的相组成,用金相显微镜观察渗氧层和磨痕组织,用显微硬度计测试渗氧层的显微硬度,用MM-U10A端面磨损试验机研究渗氧层的耐磨性。结果渗氧层物相主要由TiO_2、TiO、Ti_3Al及Al_2O_3组成,温度较低时,形成的渗氧层较薄,温度增加,渗氧层厚度迅速增加,硬度及耐磨性也随之增加。温度为760℃时,表面硬度为基体硬度的2.5倍以上,大于750HV,有效硬化层厚度达60μm以上,其磨损失重仅为未渗氧原样的1/4,表面磨痕细密,没有撕裂情况发生,渗氧层保持完整。温度继续增加,氧化物开始聚集长大,渗氧层组织开始变得疏松,硬度及耐磨性开始下降。结论 Ti6Al4V钛合金表面真空渗氧处理可显著提高其表面硬度,耐磨性改善明显。     

类金刚石薄膜改性钛合金的扭动摩擦磨损特性

以Ti6Al4V合金、类金刚石薄膜(DLC膜)改性Ti6Al4V合金分别与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)配副,模拟颈椎间盘的轴向旋转运动,并在改装后的多自由度磨损试验机上进行扭动摩擦试验。结果表明:随着循环周次的增加,两对摩擦副均呈现出摩擦扭转力矩、摩擦耗散能、磨损量相应增大的趋势。与Ti6Al4V合金相比,DLC薄膜改性后的Ti6Al4V合金摩擦副接触界面间摩擦扭转力矩降低了51.6%、摩擦耗散能降低了48%,进入完全滑移状态的时间缩短,具有更好的耐磨性。Ti6Al4V合金的磨损机制表现为严重的磨粒磨损,经DLC薄膜改性后的钛合金的磨损形式以应力集中产生的脆性剥落为主。DLC薄膜增大了对磨副UHMWPE的磨损,UHMWPE的磨损机制是粘着磨损和磨粒磨损综合作用的结果。     

Ti6Al4V合金氢致脆性磨损机制

用自制的高精度单摆划痕装置,分别测量了ＴｉＡｌ４Ｖ合金在空气以及０．５ｍｏｌ／ＬＨ２ＳＯ４溶液中于不同腐蚀电位下腐蚀和腐蚀磨损过程中的比能耗,材料流失量,摩擦系数和动态硬度等。     

Ti6Al4V合金氮离子注入层的成分、组织结构及摩擦学性能

介绍了Ti6Al4V合金氮离子注入的背景,比较了离子束离子注入及等离子体基离子注入氮,综述了注入层成分、组织结构、硬度、摩擦系数及磨损性能变化的研究进展,总结了到目前为止得出的规律,探讨了变化的可能机理。并对今后的研究方向作了展望。     

Improving tribological properties of Ti6Al4V alloy with duplex surface treatment

Ti-doped diamond like carbon films were deposited on both untreated and plasma nitrided Ti6Al4V alloy using Closed Field Unbalanced Magnetron Sputtering (CFUMBS) method and their tribological properties were evaluated by conducting sliding wear conditions. The influence of the nitrided layer on tribological behavior of Ti-DLC films was studied by means of XRD, SEM, scratch tester, microhardness tester and pin-on-disc tribotester. The microhardness results pointed out that the duplex treatment dramatically increased the surface hardness and reduced the plastic deformation of the alloy. Wear tests showed that Ti-DLC coatings on both untreated and nitrided surfaces caused a reduction in the coefficient of friction. The reason of the reduction in the coefficient of friction was found to be the formation of transfer film between the sliding surfaces. Wear rates demonstrated that wear resistance of duplex treated (Ti-DLC coating after nitriding) Ti6Al4V alloy was significantly improved.     

盐雾腐蚀条件下Ti合金表面功能薄膜的摩擦磨损性能

目的研究Ti6Al4V合金、铬掺杂类金刚石(Cr-DLC)薄膜、钨掺杂类金刚石(W-DLC)薄膜和氮化钛(TiN)薄膜,在干摩擦和盐雾腐蚀气氛摩擦条件下的摩擦磨损性能。方法在商用Ti6Al4V合金表面通过非平衡磁控溅射制备Cr-DLC薄膜和W-DLC薄膜,通过多弧离子镀技术制备TiN薄膜。利用扫描电镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机、白光干涉扫描轮廓仪,对薄膜的形貌、硬度、干摩擦和腐蚀摩擦性能、磨痕形貌进行测试分析。结果干摩擦条件下,Ti6Al4V合金表面沉积Cr-DLC、W-DLC和TiN三种薄膜的摩擦系数均比Ti6Al4V合金低;Ti6Al4V合金及其表面制备的三种薄膜在盐雾腐蚀气氛条件下的摩擦系数都比干摩擦条件下有所增加。与Ti6Al4V合金相比,Cr-DLC、W-DLC和TiN三种薄膜在干摩擦和盐雾腐蚀气氛摩擦条件下均减小了磨损体积。干摩擦条件下,W-DLC薄膜的磨损体积为0.0017 mm~3,耐磨性最好;盐雾腐蚀气氛摩擦条件下,TiN薄膜的磨损体积为0.0028 mm~3,表现出最佳的耐腐蚀磨损性能。通过磨痕形貌可以得出,盐雾腐蚀气氛摩擦条件下,Ti6Al4V合金表面制备的金属掺杂类金刚石薄膜的磨损受到磨粒磨损和腐蚀磨损双重机制的影响。结论三种表面功能薄膜在盐雾腐蚀气氛摩擦条件下都较好地保护了Ti合金,极大地减少了磨损损失。