钛合金表面改性及其生物磨损行为研究进展

钛合金具有高比强度、低密度、良好的力学性能以及生物相容性等特点,是极具潜力的人体植入材料.但钛合金的耐磨性较差,极大地限制了其应用.对目前已报道的钛合金的表面强化技术进行了分类总结,对比了各自的优缺点;重点分析了钛合金的磨损机制,寻找影响钛合金耐磨性的主要因素.此外,还介绍了改善钛合金生物磨损行为的措施,以为提高医用钛合金植入体使用寿命、扩大其应用领域提供参考.     

冷喷涂Ti/WC复合涂层的组织与耐磨性研究

为解决钛及其合金磨损性能较差的问题,采用高压冷喷涂技术在Ti6Al4V合金基体上沉积了2种不同成分的Ti/WC复合涂层,通过室温下的干滑动摩擦磨损试验分别测试了基体与复合涂层的摩擦性能,并采用扫描电镜及拉曼光谱对磨损表面进行了观察与表征。结果表明,与Ti6Al4V基体的磨损率(4.06×10^-7 mm³/(N·m))相比,复合涂层的磨损率降低了一个数量级,表现出优异的耐磨性。此外,涂层内WC含量的增加,提高了涂层的显微硬度,涂层的耐磨性也随之提升。在磨损轨迹表面,由TiO₂、WO₃以及WC碎片构成的摩擦膜能够有效避免磨球与涂层表面的直接接触,从而降低磨损程度。因此,冷喷涂Ti/WC复合涂层在钛合金磨损防护方面具有一定的应用前景。     

表面处理技术对钛合金疲劳性能影响的研究进展

针对钛合金表面硬度较低、耐磨性较差、易高温氧化等缺陷,选择适当的表面处理技术能够使其得以改善。由于钛合金对疲劳性能十分敏感,在表面处理过后,对其疲劳性能有较大影响。因而本文归纳了钛合金表面处理的多种方法,如电镀、化学镀、热喷涂、激光处理、阳极氧化、微弧氧化、物理气相沉积技术等。根据钛合金疲劳断裂现状及表面改性技术的特点,讨论了表面技术的应用、材料的选择和结构的设计对钛合金基体疲劳性能的影响。分析并总结了涂层在疲劳断裂过程起到的作用及影响疲劳性能的的主要原因,展望了未来钛合金表面改性方法、涂层材料及结构的研究趋势。以期为制备高强度、耐摩擦磨损和提升钛合金基体疲劳性能的表面改性涂层提供参考。     

不同方法制备的微弧氧化涂层摩擦磨损特性的研究现状

镁、铝、钛及其合金具有比强度高、资源丰富、加工性能好等优点，在机械、航空航天、生物医药等领域得到广泛应用，但由于镁、铝、钛及其合金的耐磨性较差，严重限制了其在各个领域的应用。从微弧氧化复合涂层的形成原理和制备方法出发，系统综述了在镁合金、铝合金、钛合金等轻质合金材料表面采用各种微弧氧化复合技术制备的涂层的摩擦磨损性能方面的研究现状，指出目前微弧氧化技术存在的问题与未来发展方向，为后续研究提供一定参考。     

T10钢的干滑动摩擦学行为与晶粒尺寸的关系

使用面面接触的盘-销试验机研究T10钢与涤纶配副的干滑动摩擦学性能,分析了钢的磨损行为与奥氏体晶粒尺寸的关系。结果表明,T10钢的奥氏体晶粒尺寸从1次淬火的32 mm减小到5次淬火的约5 mm,强度和韧性得到明显提高,而其应变硬化指数略有减小。晶粒细化基本上不影响T10钢与涤纶配副的干滑动摩擦系数,但是其耐磨性明显提高。具有较小应变硬化指数的细晶钢的磨损表面优良的摩擦诱发硬化特性,是其耐磨性提高的主要原因。T10钢的磨损机理,主要是犁削伴随的轻微接触疲劳磨损。     

人工椎间盘关节材料表面耐磨改性研究进展

钛合金和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)在人工椎间盘关节材料配对中一般是软体材料,其表面改性对提高假体耐磨性能及长期稳定性有重要意义。主要介绍了采用热处理、微弧氧化、表面渗元素、表面镀DLC膜、激光表面改性、离子注入技术提高钛合金表面硬度和耐磨性的研究进展,以及采用表面镀DLC膜等提高UHMWPE表面硬度和耐磨性的研究现状,展望了人工椎间盘假体耐磨性研究的发展趋势。     

钛合金表面激光熔覆的研究进展

钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好等优点,广泛应用于航空航天等领域,但钛合金耐磨性低、抗高温氧化性差的特点限制了其应用。利用激光熔覆技术提高钛合金表面性能已成为钛合金表面改性的研究热点。综述了目前国内外钛合金表面激光熔覆材料的研究进展,分析了激光熔覆技术的应用范围,并展望了其今后的发展趋势。     

不同淬火温度下NM500/Q345复合板耐磨层的摩擦磨损性能研究

耐磨钢/碳钢复合板不仅具有高强耐磨的双重性能优势,还可以降低能耗及生产成本.针对不同淬火工艺研究该复合板耐磨层NM500的耐磨性,对NM500/Q345复合板进行不同淬火温度下的干滑动摩擦磨损试验.借助显微硬度计测量试样表面的硬度,利用扫描电子显微镜(SEM)、白光干涉三维表面轮廓仪等分析该复合板耐磨层NM500的金相组织、磨痕的宏/微观形貌以及磨损机理.研究结果表明,当淬火温度为860～920℃时,淬火前后的硬度差别很大,淬火后的试样相比淬火前的试样硬度有很大的提高,随温度的上升先增加再降低,在温度为880℃时达到最高;摩擦因数曲线完全符合标准的干滑动摩擦磨损曲线,先快速上升然后有一定程度下降,最后趋于平稳;淬火后的磨损体积相比于淬火前会有很大程度减小,在淬火温度为860℃时,磨损量最少,耐磨性最好.     

超高分子量聚乙烯摩擦磨损行为及拉曼成像

以未交联超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和交联UHMWPE为研究对象,探讨2种材料在滑动和滚动摩擦条件下的摩擦磨损行为,重点采用拉曼成像的方法分析了磨损表面的结晶度分布和取向分布。结果表明,交联降低了UHMWPE的摩擦系数和磨损率;在滑动摩擦下,交联使UHMWPE的耐磨性提高了96%,在滚动摩擦方式下,交联使UHMWPE的耐磨性提高了41%;拉曼光谱成像表明,UHMWPE和交联UHMWPE磨损区域的表面结晶度都比未摩擦区域高;在滑动摩擦下,纯UHMWPE和交联UHMWPE均发生了取向,而在滚动摩擦下两者都没有发生明显的取向。     

原位自生WC增强Fe基涂层的组织及干滑动摩擦磨损性能

以Fe-Ni-W-C粉末为原料,采用等离子束原位冶金工艺在Q235表面经原位反应制备碳化钨(WC)增强Fe基涂层。利用扫描电镜、电子能谱、X射线衍射仪分析涂层的组织结构及原位自生WC的生长特征,考察涂层的干滑动摩擦磨损性能。结果表明:涂层中原位自生的WC生长为正三棱柱结构,其长大过程为沿〈0001〉方向在(0001)晶面层状堆叠生长,柱体最大长度接近60μm,属粗晶WC;相同干滑动摩擦条件下,与没有合成WC的Fe基涂层相比,原位合成有WC涂层的耐磨性显著提高(11倍),但由于WC柱体逐渐凸出涂层表面,造成摩擦因数波动增大,使摩擦过程稳定性逐渐降低;WC涂层的磨损机理主要为磨粒磨损和氧化磨损。     

钛合金激光熔覆的研究现状与发展趋势

钛合金具有高比强、良好的耐蚀性能等优点,但其耐磨性差,限制了它在摩擦机构的应用.激光熔覆技术是近年来发展起来的一种新型表面改性工艺.在钛合金表面进行激光熔覆,可提高钛合金的表面性能,获得高硬度、耐磨性能好、低摩擦系数的熔覆层.简要阐述了钛合金表面激光熔覆的研究现状,包括激光熔覆工艺、熔覆层的组织与性能,指出了存在的问题,并展望了钛合金激光熔覆的发展方向.     

多层石墨烯对钛合金摩擦学性能的影响EI北大核心CSCD

采用液相剥离法制备多层石墨烯(MLG)及MLG/Fe_(2)O_(3)复合纳米材料,将MLG,MLG/Fe_(2)O_(3)及MLG+Fe_(2)O_(3)直接添加至钛合金与钢的滑动界面上,通过干滑动摩擦磨损实验测试TC11合金的摩擦磨损行为。采用X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、3D激光扫描显微镜及能谱仪对磨损表面及亚表面的结构、形貌、成分进行分析。结果表明:只添加MLG时,TC11合金磨损失重及摩擦因数的变化趋势与未添加时类似,但磨损更严重。磨面上只含金属Ti,呈现出黏着痕迹、塑性撕裂、犁沟等黏着、磨粒磨损特征,基体发生塑性变形。添加MLG/Fe_(2)O_(3)复合和MLG+Fe_(2)O_(3)机械混合纳米材料时,磨损失重及摩擦因数在一定滑动转数范围内始终保持极低值,处于0附近。磨面上留有MLG和Fe_(2)O_(3)等物相,摩擦层为双层结构,呈现出典型的黑色、灰色区域。转数增至25000转时,添加复合材料时形成的双层摩擦层消失,转变为严重磨损,而添加混合材料时形成的双层摩擦层仍稳定存在。单独的MLG不能改善钛合金的摩擦磨损性能,在含Fe_(2)O_(3)摩擦层基础上添加MLG,形成的双层摩擦层兼具润滑和承载功能,可显著提高钛合金的减摩性和抗磨性。机械混合添加剂诱导形成的双层摩擦层中,因MLG层多且相对含量较高,钛合金表现出更为优异的摩擦学性能。     

工业纯钛TA1的高温摩擦与磨损行为

工业纯钛(TA1)表面塑性剪切抗力较低且氧化膜保护作用有限,在滑动摩擦时会产生严重的磨损行为。经高温氧化处理的TA1圆盘试样通过高温摩擦磨损试验机以及扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)分析,研究实验温度、氧化膜及富氧α层对TA1摩擦磨损行为的影响规律。结果表明,由于磨屑的润滑作用,在相同的载荷和磨损时间下,有氧化层TA1的摩擦因数范围在0.07~0.3,无氧化层TA1摩擦因数范围在0.55~0.9之间。摩擦磨损实验温度越高,有氧化层的TA1摩擦处的犁沟形貌分布越多、越深。对于无氧化层TA1试样,随温度升高和对磨时间的延长,裂纹更易扩展形成剥层磨损。TA1材料的主要磨损方式为剥层磨损、黏着磨损以及氧化磨损,无氧化膜及富氧α层的TA1材料黏着磨损更为严重。表面硬度和磨损机制不同造成高温下摩擦磨损性能的差异。     

氮化物硬质涂层中Cr、Ti和Al元素对摩擦磨损特性的影响

利用四靶闭合场非平衡磁控溅射(CFUBMS)技术在石英玻璃和抛光不锈钢片两种基底上制备含有Cr、Ti和Al元素组合的各种氮化物涂层.采用摩擦磨损仪测试涂层摩擦系数,应用金相显微镜对各个涂层磨痕形态进行分析,结果表明TiN、CrN、TiAlN、CrAlN以及CrTiAlN涂层的摩擦系数依次减小,耐磨特性依次提高;结合涂层的X射线光电子能谱分析,可以得到含有Al元素涂层中形成了AlN的结构,提高涂层的硬度,增加耐磨特性;在涂层中含有Cr元素形成了氧化物Cr2O3可以提高涂层自排屑能力,减小摩擦系数,增加耐磨特性,含Ti元素形成的氧化物TiO2则不利于涂层的摩擦磨损特性;由于CrTiAlN本身具有比三元氮化物更高的涂层硬度,且含有Al和Cr元素,因此该涂层具有最好的摩擦磨损性能.     

镁基材料摩擦磨损的研究进展

主要综述了近年来镁基材料(包括镁合金和镁基复合材料)摩擦磨损的研究状况,总结了合金元素对摩擦磨损的影响,对比分析了触变成形、压铸和金属型铸造镁合金的摩擦磨损,研究了各种镁基复合材料的摩擦磨损,同时总结了表面改性对镁基材料摩擦磨损的影响.     

医用钛合金表面改性研究进展

钛合金作为人体硬组织替代物和修复物的首选材料在临床上得到广泛的应用.分析了目前医用钛合金存在的主要问题:生物活性、耐磨性和耐腐蚀性有待进一步提高,指出表面改性是改善上述问题的有效途径;综述了人体植入钛合金表面改性的研究进展,并展望了钛合金表面改性的发展趋势.     

Sliding wear resistance of Fe-, Ni- and Co-based alloys for plasma deposition

Performance of Fe-, Ni- and Co-based alloys was evaluated in sliding wear and in the impact wear tests to simulate wear of valves and valve inserts in internal combustion engines. From the SEM investigations adhesive wear was confirmed by metal transfer between rubbing surfaces while surface deformation testify to abrasive wear. It was found that oxides formed on the surface prevented direct metal-to-metal contact and reduced the coefficient of friction thereby reducing wear. A comparison of wear resistances of Fe, Ni- and Co-based alloys used as hardfacings were given. It is also shown that Ni–Co alloys with Ni-alloy content between 40.4 and 64.3 have a considerable potential, they reveal above 2 times higher wear resistance than plasma-deposited cobalt alloy.     

Verschleißschutz für Titanbauteile

Wear Protection for Titanium Components The use of titanium and its alloys in the last decades keeps on increasing due to its material‐specific characteristics like high firmness, good corrosion characteristics and very high thermal maximum stress. However nowadays, the use of titanium components in systems where wear resistance is important is limited by titanium’s relatively low wear resistance. Surface wear is in principle a characteristic, conditioned by chemical and physical effects of the elements involved as well as collective stress. The necessity for new systems where good wear resistance and excellent mechanical properties are combined keeps on showing up. Due to titanium’s tendency to react with surrounding media, titanium alloys are difficult to be welded. Embrittlement by admission of hydrogen and oxygen can occur at high temperature processes or even changes on titanium’s microstructure may appear. Brazing techniques, which are actually applied to steel, have been modified and adapted for using them to titanium materials. Here, commercially available braze pastes and hard materials where combined and applied on titanium.     

汽车用钛合金表面双辉等离子Mo合金化层的制备及其摩擦磨损性能

为了改善钛合金的表面摩擦磨损性能,采用双辉等离子合金化法在汽车用近β型钛合金(Ti-5Zn-3Sn)表面制备了Mo合金层,通过微观组织观察及硬度、摩擦系数、磨损率测试等考察了合金化层的形貌以及摩擦磨损性能.结果表明:钛合金表面等离子合金化后,呈现出银白色,表面形貌很不平整,粗糙度和致密性得到提高.钛合金Mo合金化层与基体之间结合很好,没有出现不可控的断层以及裂纹.随着合金化层的逐渐深入,Mo元素占比慢慢降低.在Mo元素固溶强化作用的影响之下,钛合金表面硬度得到明显提高,有效地改善了钛合金表面摩擦学性能.随着Mo合金化温度增加,合金化层的硬度明显增加.合金化后钛合金表面硬度高,受压屈服极限大,黏着效应小,摩擦系数小,磨损率明显降低.     

炭布/树脂复合摩擦材料的湿式摩擦学性能

基于炭布优异的摩擦磨损性能、 自润滑性能以及低密度等特点, 将其应用于湿式摩擦材料中, 以适应高转速、 大压力或润滑不充分等极端工况。分别以1 K、 3 K和6 K碳布为增强体, 制备出三种炭布/树脂复合摩擦材料, 研究了其湿式摩擦学性能。结果表明: 随着纤维束内单丝数量的增加, 摩擦材料的瞬时制动稳定性降低, 动摩擦系数减小, 但是耐磨性能提高。所有摩擦材料的磨损率小于1.10×10^-5 mm³/J, 表现出较好的耐磨性能, 并且对偶材料的磨损率很小, 仅为0.40×10^-5 mm³/J。磨损主要表现为纤维断裂、 拔出及树脂脱粘等形式, 但是在磨损表面没有形成大尺寸磨屑和明显的"第三体"磨粒, 导致摩擦材料和对偶材料的磨损率较小。