激光熔覆硅灰石陶瓷涂层摩擦磨损性能研究

发布时间：2017-12-21 01:11

  本文关键词：激光熔覆硅灰石陶瓷涂层摩擦磨损性能研究　出处：《浙江工业大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：硅灰石涂层不仅有较高的结合强度,而且还具有优良的生物活性和生物相容性,被视为是潜在的骨替代材料。骨替代材料通常需要满足一定的力学和生物学性能要求。硅灰石涂层植入生物体内后,发生溶解和降解以诱导生成骨组织,但是其存在溶解速度过快问题。而且关于硅灰石涂层的磨损方面的力学性能目前研究的还较少。本文利用激光熔覆技术在钛合金基体制备不同氧化锆(ZrO_2)含量(0wt.%、20wt.%和40wt.%)的硅灰石复合陶瓷涂层(分别标号为W10、W8Z2和W6Z4),并对涂层的组织结构、生物活性、磨损性能等进行研究。(1)涂层结构致密,无微观的裂纹产生,涂层和基体实现了良好的冶金结合。涂层的微观结构主要是蜂窝状和蜂窝-枝晶结构,添加的ZrO_2相使晶体的枝状变的粗糙,并提高了涂层的显微硬度和结合强度。W10涂层的主要成分由β-CaSiO_3、CaTiO_3,α-Ca_2(SiO_4),SiO_2,TiO_2和CaO等构成。W8Z2和W6Z4涂层中的ZrO_2仍有部分是以四方相形式存在,ZrO_2和CaO反应生成CaZrO_3。(2)通过Tris-HCl溶液浸泡测试涂层降解性能。在涂层中添加氧化锆相,可以提高涂层的致密度,可以明显降低涂层的降解率,七天后,可以使涂层的降解速率下降30%以上。SBF溶液浸泡试验探讨了涂层的生物活性,涂层表面沉积的钙磷层表明了涂层的生物活性。并对涂层表面磷灰石的沉积成核、生长过程进行了分析。但添加ZrO_2相会降低涂层的生物活性。(3)利用磨损试验机研究了涂层磨损性能,并对滑动接触过程中的应力分布和变化进行数值模拟分析。干摩擦情况下,涂层的摩擦系数随着添加氧化锆含量的增大而变大,磨损量变化呈现相反趋势;W10和W8Z2涂层磨损表面呈现出典型的疲劳剥落特征,W6Z4涂层磨损磨损机制为以犁沟效应和磨粒磨损、粘着为主。而在牛血清润滑环境下,摩擦系数变化和磨损量随着添加氧化锆含量的增大而变大而降低,涂层表面出现犁沟痕迹。添加的氧化锆增加涂层断裂韧性和硬度,从而提高其抗磨损性能。载荷对涂层摩擦系数和磨损量产生显著影响,在重载条件下,牛血清的润滑效果下降,并使润滑膜厚度变小,润滑性能变差,因此产生较大的磨损量和较高摩擦系数。(4)ANSYS分析结果表明:接触界面压力、摩擦力、等效应力的分布是不均匀的,并在滑动结束的非稳态磨损阶段突然升高。SEM显示磨痕的末端产生更加严重的磨损现象,应力的突然升高有关从侧面解释了磨损现象。在涂层实际使用过程中,应更加关注非稳态磨损。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4

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本文编号：1314099