等离子体密度调控CrN薄膜结构改性Ti6Al4V双极板

目的 满足质子交换膜燃料电池双极板的使用要求。方法 采用热丝增强等离子体磁控溅射技术,通过改变热丝放电电流调控溅射等离子体密度,在Ti6Al4V（TC4）合金表面制备了氮化铬（CrN）薄膜。结果 随着热丝放电电流从0A增加至32A,真空腔内等离子体密度增强,-50V偏压下基体偏流密度从0.07 mA/cm²增至0.7 mA/cm²。CrN薄膜择优取向从低应变能的（111）转变成表面能更低的（200）择优取向。薄膜表面形貌由较疏松的四棱锥型转变成致密球形;无热丝时,CrN薄膜显示有铬的（110）衍射峰且铬原子数分数为52.16%,为富金属薄膜。热丝放电电流为16 A和32 A时,Cr N薄膜中的铬原子数分数分别降至50.79%和49.82%,且无Cr的衍射峰,即逐渐转变为贫铬。采用热丝辅助磁控溅射,将使氮气离化率增大,活性增强,引起薄膜贫铬。模拟双极板工作环境下,与TC4腐蚀电流密度1.5×10^-8 A/cm²相比,CrN薄膜的腐蚀电流密度由无热丝的3×10^-5 A/cm     

低模量Ti6Al4V表面Ti(Al/Pt)N薄膜强化改性

为解决硬质薄膜因与软基体硬度和模量差较大导致的薄膜失效问题,提高硬质薄膜在Ti6Al4V(TC4)钛合金基体上的适应性,使用掺杂氮化钛（TiN）陶瓷薄膜对低模量Ti6Al4V合金表面强化。采用热丝增强等离子体磁控溅射技术在Ti6Al4V合金表面制备Ti(Al/Pt)N薄膜：包括本征TiN、Al&Pt掺杂TiAlN和TiAl(Pt)N薄膜。采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、纳米压痕仪、洛氏硬度计和摩擦磨损测试仪分别表征三种薄膜组织形貌、能谱分析、相结构和内应力、纳米硬度和模量及耐磨性。结果表明：Al元素掺杂使TiN薄膜柱状晶细化,截面形貌柱状晶更致密;同时微量Pt掺杂后,截面断口呈韧性撕裂。本征TiN和TiAlN薄膜衍射峰图谱呈现TiN(111)取向,TiAl(Pt)N薄膜的衍射峰呈TiN(200)主峰位。Al元素掺杂使TiN薄膜晶格畸变增多,内应力从-13 MPa增大到-115 MPa,导致膜-基结合力恶化,洛氏压痕和摩擦磨损实验中均出现薄膜剥落。Pt掺杂后薄膜内应力降低到-66 MPa,在洛氏压痕试验中TiAl(Pt)N薄膜与基体结合良好,仅有少许环形裂纹。摩擦磨损试验中本...     

Ti6Al4V表面TiN/Ti复合膜的制备及摩擦学性能研究

采用直流磁控溅射法在Ti6Al4V表面制备TiN/Ti复合膜。分别用FESEM、GDEOS和XRD分析薄膜表面的成分及相结构;利用划痕仪分析膜基结合强度;通过球盘磨损机和轮廓仪测试磨痕形貌和磨损体积,评价膜层的摩擦学性能。结果表明,TiN/Ti复合膜表面致密光滑,呈金黄色金属光泽;膜基结合强度大于100 N;表面镀有TiN/Ti复合膜的Ti6Al4V合金虽没有减磨作用,但提高了耐磨性。     

Ti 6 Al 4 V 表面 Ti-Cu-N 纳米薄膜溅射沉积及其抗菌性能研究

目的提高医用钛合金的抗菌性能。方法应用直流磁控溅射在Ti6Al4V基体上沉积Ti-Cu-N薄膜,通过平板计数法和细菌活死染色对比研究薄膜和基材的抗菌性能。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和辉光放电光谱分析仪研究薄膜的微观组织、化学成分分布。结果 Ti-Cu-N薄膜对大肠杆菌展现了优良抗菌性能。结论 Ti-Cu-N薄膜能够很好地改善Ti6Al4V合金的抗菌性能。     

Ti6Al4V表面磁控溅射NiCoCrAlY涂层的组织及性能

为了提高钛合金的高温抗氧化能力,采用非平衡磁控溅射技术在Ti6Al4V钛合金的表面沉积了NiCoCrAlY涂层,通过SEM,EDS和XRD分析了涂层氧化前后的物相组成和组织形貌。结果表明:长时间沉积后,受基材原始表面状态和涂层择优生长作用的影响,涂层表面有大量微米级的细小颗粒和少量直径约10μm的圆丘形突起;NiCoCrAlY涂层成分与靶材相近。NiCoCrAlY涂层明显提高了钛合金的抗氧化性能,使其氧化增重速率大大降低。经高温氧化后,涂层与基底的界面处Ti,Ni等元素发生互扩散形成过渡层,随氧化时间延长,过渡层逐渐增厚;并且受高温作用,涂层表面化合物相晶态特征有增强的趋势。     

稀土含量对Ti6Al4V钛合金等离子渗氮层组织和摩擦学性能的影响

目的研究稀土含量对Ti6Al4V钛合金表面等离子体渗氮层结构和性能的影响。方法运用等离子表面改性技术对Ti6Al4V(TC4)钛合金进行等离子渗氮处理,渗氮过程中通入不同含量的稀土作为催渗剂,以获得钛合金表面强化层。利用金相显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察渗氮层组织,用X射线衍射仪(XRD)分析渗层相组成,用能谱仪(EDS)检测渗层的化学成分,用维氏显微硬度计测量渗层的显微硬度,用球-盘式摩擦磨损试验机和三维轮廓仪检测渗层的摩擦磨损性能。结果TC4钛合金表面等离子渗氮层结构包括表面化合物层(主要成分为δ-TiN)和扩散层(主要为N原子扩散形成的N-Ti固溶体),加入稀土可以促进N原子向基体的扩散,提高渗氮速度。渗层厚度增加,硬度和耐磨性能提高,扩散层使钛合金基体与化合物层之间的硬度梯度更加平缓。当稀土通入速率为60 mL/min时,渗层厚度可达155μm,表面硬度为1275HV0.05,摩擦系数降到0.27,磨损率明显降低。结论钛合金等离子渗氮过程中加入稀土可以有效提高渗速,改善渗氮层硬度,提高材料表面的耐磨性能。     

钛合金Ti6Al4V表面Mo-N改性层的摩擦性能研究

采用钼-氮离子共渗与离子渗钼后再氮化2种工艺,在钛合金Ti6Al4V表面形成均匀致密的钼氮合金渗层.实验结果表明,2种工艺形成的表面合金层表面硬度都有大幅度提高,其中渗钼后氮化的硬度Hk0.1为16 810 MPa,钼-氮共渗Hk0.1为18 040 MPa.渗钼后氮化合金层主要为MoN相,而钼-氮共渗合金层主要为Mo2N相. 干摩擦条件下,球盘磨损试验表明,渗钼后氮化工艺更好地改进了钛合金Ti6Al4V耐磨性,降低比磨损率3个数量级.     

射频等离子体方法制备球形化TC4 (Ti6Al4V)合金粉末

本文通过射频等离子方法制备了高度球形化的TC4(Ti6Al4V)合金粉末。主要探究仪器送粉喷嘴高度、产生等离子体的功率、反应室的压力、原料粉体的粒径分布、送粉速率以及载气的气流速率等对于粉体球化率的影响,通过调节上述因素形成对比实验并得到不同实验条件下的球化粉体。通过SEM图像可观察粉体的形貌变化并计算比较粉体的球化率,通过XRD图可知球化前后粉体相结构不发生变化,观察球化粉末横截面可知粉末为实心球体且表面光滑,同时可发现球化后粉末流动性明显提高,松装密度大,粒径分布窄,适合3D打印等应用技术对于合金粉体的要求。实验中,调节送粉喷嘴高度为12.5cm,反应室压力为14.7psia,送粉速率为1.742g／min,产生等离子气的功率为27.2kW且控制原料粉体的平均粒径在38～63微米时可使得球化率达到99%,明显高于其他球化粉末制备方法。     

氧等离子体离子注入Ti6Al4V表面强化研究

采用PⅢ对Ti6Al4V合金进行表面处理,温度控制在300～400℃之间,利用小掠射角X射线衍射技术（GXRD）、扫描电镜（SEM）研究不同工艺条件下的相结构和表面形貌,并且测量处理后试样的显微硬度、摩擦磨损性能。结果表明：试样表面形成了金红石相,且试样表面变得粗糙;在390℃处理后的试样硬度提高27％,抗磨损性能提高。     

New generation hopeite coating on Ti6Al4V (TC4) by radio frequency magnetron sputtering for prosthetic-orthopaedic implant applications: synthesis and characterisation

ABSTRACT

Bioceramic coatings with multifunctionality have emerged as an effective alternative to conventional coatings, owing to their combination of various properties that are essential for bio-implants, such as osseointegration and antibacterial character. In the present study, thin hopeite coatings were synthesised by radio frequency magnetron sputtering on TC4 substrates. The obtained hopeite coatings were thermally treated at 500°C in ambient air and characterised in terms of surface morphology, phase composition, surface roughness, adhesion strength, antibacterial efficacy, apatite forming ability, surface wettability and corrosion resistance by Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), Atomic Force Microscopy(AFM), Tensometer, Fluorescence-Activated Cell Sorting (FACS), Simulated Body Fluid (SBF) immersion, Contact Angle Goniometer and potentiostatic polarisation respectively. It was observed that the post-deposition annealing increases the crystallinity of the synthesised hopeite coatings. SEM analysis showed deposited particles are spherical in shape and small in dimensions (<1?μm in diameter). XRD results confirm the deposited coating is crystalline in nature. AFM analysis reveals deposited hopeite coating has an average surface roughness value of 8.66?nm. Tensile pullout experiments indicated that the adhesive strength of the hopeite coating is 21.75?±?2.1?MPa. FACS study confirms the deposited hopeite coating possesses antibacterial character. SBF immersion experiments clearly demonstrate apatite growth on the surface of the deposited hopeite coating. The surface wettability test showed that the deposited coatings are hydrophobic in character having an average contact angle value of 136.65°. Potentiodynamic polarisation experiments in SBF showed a significant improvement in corrosion resistance (R_p?=?7945.87?Ω?cm²) of hopeite coated samples. In summary, it can be concluded that the new generation multifunctional hopeite coating synthesised by an alternative new process route of radio frequency magnetron sputtering on TC4 substrates is an effective alternative to conventional coatings. This is largely attributed to the strong osseointegration and antibacterial character of deposited hopeite coating ensuring the overall stability of metallic orthopaedic implants.     

钛合金表面大气压等离子体枪制备类金刚石薄膜

在大气下,采用大气压介质阻挡放电(DBD)等离子体枪在低温下(350℃),以甲烷为单体,氩气为工作气体,在Ti6Al4V钛合金表面制备一层类金刚石薄膜(DLC),以期改善钛合金表面摩擦学性能。利用激光拉曼(Raman)光谱和X射线光电子能谱(XPS)分析了所制备DLC薄膜的结构;利用扫描电子显微镜(SEM)观察DLC薄膜的表面形貌;利用划痕仪测量了DLC薄膜与基体的结合力;利用球-盘摩擦磨损实验仪对DLC薄膜的耐磨性能进行了研究。结果表明:在本实验工艺条件下沉积的类金刚石薄膜厚度约为1.0μm,薄膜均匀且致密,表面粗糙度Ra为13.23nm。类金刚石薄膜与基体结合力的临界载荷达到31.0N。DLC薄膜具有优良的减摩性,Ti6Al4V表面沉积DLC薄膜后摩擦系数为0.15,较Ti6Al4V基体的摩擦系数0.50明显减小,耐磨性能得到提高。     

表面织构改善Ti6Al4V合金摩擦学性能的研究进展

源于自然界非光滑表面的表面织构能够起到捕捉磨屑、储存润滑剂、减小接触面积等积极作用,被认为是一种改善材料摩擦学性能的有效途径,并在改善钛合金摩擦学性能方面取得了有益成果。本文重点关注了钛合金表面织构的设计与加工、减摩与抗磨机理、与表面技术的复合应用,综述了表面织构在改善钛合金的摩擦学性能方面的研究进展,并展望了相关研究思路和方法。     

Ti6Al4V合金上类金刚石膜的摩擦学性能及腐蚀行为

采用离子束沉积技术在医用Ti6Al4V合金表面制备类金刚石薄膜(DLC),利用原子力显微镜、Raman光谱、X射线光电子能谱(XPS)及UMT-2摩擦磨损试验机对薄膜的形貌、结构、摩擦学性能进行表征。采用动电位极化对涂层前后基底的耐腐蚀性能进行测试。结果表明:制备薄膜为类金刚石碳结构,基底偏压对薄膜形貌、结构有较大影响;偏压为-100V时制备的薄膜表面粗糙度低(6.5nm),sp3/sp2比值高,摩擦学性能优异;经DLC膜保护的合金基底耐腐蚀性能获得明显改善。     

Ti6Al4V合金上类金刚石膜的摩擦学性能及腐蚀行为

采用离子束沉积技术在医用Ti6Al4V合金表面制备类金刚石薄膜（DLC）,利用原子力显微镜、Raman光谱、X射线光电子能谱（XPS）及UMT-2摩擦磨损试验机对薄膜的形貌、结构、摩擦学性能进行表征。采用动电位极化对涂层前后基底的耐腐蚀性能进行测试。结果表明：制备薄膜为类金刚石碳结构,基底偏压对薄膜形貌、结构有较大影响;偏压为–100 V时制备的薄膜表面粗糙度低（6.5 nm）,sp3/sp2 比值高,摩擦学性能优异;经DLC膜保护的合金基底耐腐蚀性能获得明显改善。     

Ti6Al4V钛合金切削性能模拟及响应面分析

为保证PCD刀具的使用寿命和加工精度,提高对Ti6Al4V钛合金的加工效率,对PCD刀具精车加工Ti6Al4V钛合金进行模拟仿真分析,并通过响应面分析法计算建立切削力和刀尖温度随刀具参数（前角γo、后角 αo、钝圆半径rε）变化的二次响应面数学模型。根据响应面模型方差分析和显著性检验证明响应面预测模型的有效性,分析PCD刀具精车加工Ti6Al4V钛合金时刀具参数对切削力和刀尖温度的影响从而获得最优刀具参数。结果表明：钝圆半径对切削力的影响最大,后角对刀尖温度的影响最大,适当增大前角、减小后角及钝圆半径能够有效降低切削力、刀尖温度;最终得出最优刀具参数组合为前角γo=12°、后角αo=7°和钝圆半径rε=0.04 mm。     

Ti6Al4V合金表面激光熔覆原位合成TiN/Ti-Al-Nb基复合涂层

目的 为探究Ti6Al4V钛合金表面TiN/Ti-Al-Nb基复合涂层的激光熔覆制备新工艺,研究Nb含量对TiN/Ti-Al-Nb基复合涂层微结构及显微硬度的影响规律。方法 以Nb原子数分数分别为10%、15%和25%的Ti+Nb+AlN混合粉末为原材料,采用基于挤压预置粉末法的激光熔覆原位合成技术,制备出TiN/Ti-Al-Nb基复合涂层。通过X射线衍射仪（XRD）物相定性分析,并结合扫描电子显微镜（SEM）和能量分散谱仪（EDS）,对TiN/Ti-Al-Nb基复合涂层中的物相进行定性分析,结合二元平衡相图,进一步分析激光原位化学反应机理。借助显微硬度计,研究TiN/Ti-Al-Nb基复合涂层微结构对截面显微硬度分布的影响规律。结果 在高能密度激光束作用下,混合粉末中Ti和AlN发生了充分的激光原位化学反应,生成了TiN陶瓷增强相,TiN陶瓷增强相的含量与Ti粉和AlN粉末的含量正相关。Nb含量的增加显著影响了Ti-Al-Nb基体相的种类,而不改变增强相的种类,随着Nb含量的增加,含Nb基体相的种类增多,发生Ti3Al→Ti3AlNb→Ti2AlNb→Ti39Nb→Nb7Al的转变。随着TiN增强相含量减少,复合涂层截面平均显微硬度从993.2HV0.5降至701.4HV0.5。结论 Nb含量的增加,不会改变TiN/Ti-Al-Nb基复合涂层增强相的种类,但可以降低TiN增强相的含量,从而降低复合涂层截面平均显微硬度。