氮离子注入的Ti6Al4V表面分析

利用表面分析技术(AES,XPS,SIMS)研究了经氮离子注入的外科植入材料Ti6Al4V表面成分与键合态,用轮廓仪的测量结果计算了氮离子注入深度及注入氮离子的Ti6Al4V的刻蚀速率。考虑到该合金的基体效应,对AES的定量结果进行了修正。结果表明,注入到合金中的氮离子与合金中的Ti形成高硬度的TiN,N的分布近似为Gauss形式,注入总深度约为350nm,在距表面约140nm处氮量最大,N与Ti的浓度比可达1.1。     

热氧化温度对Ti6Al4V耐磨性的影响

在873~1023 K保温10 h条件下对Ti6Al4V进行热氧化处理。采用X射线衍射仪,辉光光谱分析仪和光学显微镜分析热氧化层的特征。借助MFT-R4000往复式摩擦磨损试验机研究热氧化温度对Ti6Al4V耐磨性的影响。结果表明:Ti6Al4V表面的热氧化层均匀、连续;热氧化温度对氧化层的形成、表面硬度和耐磨性有显著影响;973 K获得的氧化层表面硬度最高,磨损失重最低,磨痕宽度最小,耐磨性能最好。     

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。     

热处理对选区激光熔化Ti6Al4V合金力学性能和耐磨性的影响

系统研究了热处理工艺对选区激光熔化Ti6Al4V合金组织、力学性能和耐磨性的影响。结果表明,沉积态样品组织以针状α''马氏体为主,经固溶处理后,针状α''马氏体分解,Ti6Al4V合金硬度下降。当固溶温度为800℃时,合金形成α''/α结构,其抗拉强度和延伸率分别增加12%和23%。当固溶温度达到900℃以上时,由于α''/α结构的消失、α相晶粒的粗化以及β相含量的增加,合金的力学性能急剧下降,抗拉强度从（935±10）MPa下降到（815±9）MPa,伸长率从（8.72±0.2）%下降到（3.09±0.1）%。随着固溶温度的升高,摩擦系数和磨损率线性增大,与硬度的变化趋势完全相反,且磨损机理由单一磨粒磨损转变为磨粒磨损和氧化磨损。     

Ti6Al4V合金与AISI420不锈钢表面离子渗Cr及耐磨性

为了改善钛合金和不锈钢的耐磨性,对Ti6Al4V合金和AISI420马氏体不锈钢表面进行真空辉光离子渗Cr,对比研究了合金化层的组织结构和摩擦磨损性能的相关性.结果表明,两种基材的合金化改性层厚度均达60μm以上,结构致密,结合强度高.Ti6Ai4V合金改性层由Cr沉积层、富Cr2Ti层、CrTi4层和Cr-Ti固溶层组成,其中富Cr2Ti层硬度最高,是基材的2.3倍;AISI420不锈钢渗Cr层由Cr沉积层和扩散层组成,扩散层中富含Cr23C6相,二者过渡区的硬度最高,是基材的4.5倍.表面渗Cr显著提高两种材料的耐磨性,这与渗Cr层的物相结构有关.Ti6Al4V合金的Cr沉积层和富CrTi相层均具有优异的耐磨性,而固溶层的耐磨性较差;AISI420钢基材的Cr沉积层和过渡层均具有优异的耐磨性,而扩散层的耐磨性稍差.渗Cr处理使两种基材的磨损机制均由磨粒磨损为主转化为粘着磨损为主.     

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。     

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.     

生物医用Ti6Al4V合金表面Nb涂层的耐磨性和耐腐蚀性

为了提高生物医用Ti6Al4V合金的耐磨性和耐腐性能,采用双辉光等离子体表面冶金技术在其表面制备了均匀致密的Nb涂层.结果表明:Nb涂层主要由Nb和金属间化合物AlNbTi2和AlNb2组成.相比Ti6Al4V基材,Nb涂层的显微硬度是其的2倍,Nb涂层的平均摩擦系数和磨损率分别下降了 14％和95.4％,Nb涂层的主要的磨损机制为粘着磨损.Nb涂层的腐蚀电位(Ecorr)和极化电阻(Rp)较高,腐蚀电流密度(Icorr)较低,表明具有优良的耐腐蚀性,且具有Nb涂层的Ti6A14V合金的孔隙率仅为3.1％,大大降低了侵蚀性介质与基材接触的可能性.     

空气等离子体基注入Ti6Al4V合金摩擦学性能研究

采用空气等离子体基离子注入技术对Ti6Al4V合金进行了表面改性。注入负脉冲电压分别为10kV,30kV,50kV,注入剂量为0.6×1017ions/cm2。用X射线光电子能谱仪对注入层元素分布进行了分析,结果表明:改性层的外层为TiO2,外层与内层基体之间存在Ti2O3、TiO、TiN;采用球盘磨损试验机对注入层的摩擦学性能进行了研究。结果表明:随着注入电压的增加,摩擦因数减小,耐磨性能提高。且以50kV注空气最为显著,摩擦因数较基体降低了3倍多,磨损体积与比磨损率较基体均下降了1个数量级以上。注入层硬度比基材Ti6Al4V也有明显提高。     

Ag离子注入Ti6Al4V合金抗Hank’s溶液腐蚀性能研究

采用注入不同剂量5×1016, 1×1017, 5×1017和9×1017ions/cm2,加速电压30 kV对Ti6Al4V合金进行Ag离子注入表面改性。使用动电位极化曲线研究Ag离子注入前后Ti6Al4V合金抗Hank’s溶液腐蚀性能,利用小角掠射X射线衍射技术研究Ag离子注入前后Ti6Al4V合金表面物相组成,用X射线光电子能谱技术分析离子注入合金表面和腐蚀样品表面元素存在的化合态。结果表明,Ag离子注入提高了合金抗Hank’s溶液腐蚀性能,腐蚀电流密度随Ag离子注入剂量的增加稍有变化。离子注入Ti6Al4V合金表面的氧化物腐蚀阻挡层、离子注入表面合金层和表面生成的Ag和TiAg有利于合金抗Hank’s溶液腐蚀性能的改善     

温度对离子注入Ti6A14V表面改性影响

对Ti6Al4V 合金进行温度范围从100 ℃到600 ℃,注入剂量为:4×1017ions.cm-2氮离子等离子体源离子注入(N-PSII)。用俄歇电子能谱仪(AES)对注入样品进行元素深度分布剖面分析。用显微硬度及针盘磨损试验机测试表面改性的效果。利用X 射线衍射(XRD)分析表面改性层晶相的变化。用光学显微镜观察磨痕宽度。分析发现,当温度从 100 ℃升到600 ℃时,注入层厚度明显增加。其中,高温注入时获得较高的表面硬度和较好抗磨损性。XRD分析发现,随温度升高注入层表面形成TiN和Ti2N析出相。     

Ag和Ta离子双注入Ti6Al4V合金表面改性

采用先注入1×1017ion/cm2Ag离子,注入能量为64.2keV;后注入1.5×1017ion/cm2Ta离子,注入能量为146.5keV对Ti6Al4V合金进行离子双注入表面改性。采用X射线衍射分析离子双注入前后Ti6Al4V合金表面的物相;利用X射线光电子能谱研究离子双注入前后Ti6Al4V合金表面元素化合态以及离子双注入Ti6Al4V合金表面元素浓度沿深度方向的分布。结果表明,离子双注入前后Ti6Al4V合金表面都被氧化了,离子注入前合金表面存在TiO、Ti2O3和Al2O3,离子双注入后Ti6Al4V合金表面有TiO2、Ta2O5、TaOx和AgO2新相生成,且在表面还存在少量V2O5和Al2O3。离子双注入合金表面生成的氧化物层形成了扩散阻挡层,阻挡铝离子和钒离子向外扩散,从而减少Ti6Al4V合金表面铝离子和钒离子的释放量。     

水基凝胶注Ti-6Al-4V合金坯体

将凝胶注模工艺应用于金属Ti6Al4V合金粉末的成形,研究了高固相含量的Ti6Al4V合金粉末的料浆的制备,比较了金属浆料与陶瓷浆料的不同。结果表明粉末的颗粒形状是影响浆料固相含量的重要因素,浆料的固相含量随分散剂的增加而增加。最后制备出了固相含量为54%(体积分数,下同)的钛合金粉末浆料和形状复杂的坯体。坯体的抗弯强度随气雾化(GA)Ti6Al4V含量增加先增大后减小,随着坯体的固相含量增大而减小。当GA-Ti6Al4V含量为80%,固相含量为50%时生坯抗弯强度最大,为18.5 MPa。     

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。     

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。