Ti-6A1-4V表面溅射沉积Ni-Ti薄膜及其力学性能研究

发布时间：2020-06-02 13:13

【摘要】：Ti-6Al-4V由于密度低、比强度高、耐蚀性好和良好的生物相容性等特点,被广泛用作生物植入体材料,成为生物体修复和人工关节的首选材料。但是因为Ti-6Al-4V硬度低、摩擦系数大、耐磨性差,使其易发生磨损破坏产生大量磨屑及材料中的Al、V元素溢出,对生物体产生危害,造成生物植入体的失效,严重影响了钛合金的使用寿命和应用范围。等原子比Ni-Ti合金不但有良好的形状记忆效应、耐蚀性和生物相容性,而且具有优异的摩擦学特性。因此,通过表面改性的方法沉积Ni-Ti合金薄膜来提高Ti-6Al-4V的表面硬度,降低摩擦系数及提高耐磨性,弥补其在应用中的不足是十分必要的。本课题采用直流磁控溅射,首先探索了Ti-6Al-4V的预处理工艺,通过优化溅射工艺参数沉积得到近等原子比的Ni-Ti薄膜,并对薄膜进行后续晶化退火处理。研究不同工艺参数对Ni-Ti薄膜表面形貌、粗糙度、晶粒尺寸、物相组成等微观组织的影响。对Ni-Ti薄膜的膜基结合力、硬度、摩擦磨损等力学性能进行了测试,分析溅射工艺参数和微观结构对力学性能的影响。研究表明,基片预处理方式对溅射薄膜形貌和膜基结合强度有明显影响,抛光后的基片依次经物理清洗、化学除油和表面酸蚀活化处理,可以阻止基片表面氧化,增强膜基结合强度,改善薄膜表面质量。Ni-Ti薄膜最佳溅射工艺为:溅射功率170W,基片温度260℃,偏压-50V,溅射时间45min,沉积速率为97nm/min。Ni-Ti薄膜经600℃×1h晶化退火后,薄膜表面均匀致密,晶化程度良好,平均粗糙度约1OOnm;薄膜的原子比为Ni:Ti=51.05at%:48.95at%,室温下为B2母相奥氏体,主要晶面为(1 10)、(2 1 1),薄膜中主要有富Ni相Ni4Ti3和Ni3Ti析出,析出相的分布对薄膜硬度有较大影响;薄膜与基体Ti-6Al-4V结合良好,硬度由基体的314HV0.2提高至451HV0.2,摩擦系数由0.4左右降到0.2左右,磨损量与基体相比减少约80%,减摩和耐磨性能得到明显改善。
【图文】：

山东大学硕士学位论文第一章绪论逡逑及钦合金逡逑和钛合金简介逡逑属过度金属，外观银灰色，在地壳中含量丰富，在自然界中，，钛主要和钛酸盐形态存在钛具有两种同素异构体，在８８２．５°Ｃ以下为ａ－Ｔ方结构；在８８２．５°Ｃ与熔点（１６６８°Ｃ）之间为ｐ－Ｔｉ．体心立方结构丨３丨。逡逑

？邋？逦肩、＇逡逑图１．１钛的晶体结构示意图⑶逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｉｔａｎｉｕｍ逡逑钛合金是以钛为基体加入铝、钒、钼等合金元素组成的合金。第一种实用钛逡逑合金是Ｔｉ－６ＡＩ－４Ｖ，在钛合金中使用量最大，约占全部钛合金的７５°／ｔ８５％ｌ４ｌ。逡逑钛合金按退火组织可分为ａ、（３和（ａ＋ｐ）三大类丨５】。逡逑（１）逦ａ钛合金逡逑ｏｔ钛合金的主要合金元素是ＡＩ，起稳定ａ相的作用，组织中主要是ａ相，耐磨逡逑性高于纯钛，抗氧化能力和耐热性强｜６１。在５００°Ｃ温度下，仍保持其较高强度，逡逑但不能进行热处理强化，通常在退火或热轧态下使用［７１。逡逑（２）
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG174.4;TG146.23;R318.08

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本文编号：2693212