Ti6Al4V高温固体渗碳工艺及其性能研究

发布时间：2017-10-11 23:37

  本文关键词：Ti6Al4V高温固体渗碳工艺及其性能研究

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【摘要】：目前在矫形外科领域应用最为广泛的Ti6Al4V合金,又称TC4钛合金,具有很好的耐蚀性、生物相容性、较高的机械强度和较好的机械加工性能。但是,由于钛合金较差的摩擦学性能极大的限制了其在人工关节中更广泛得使用。因此研究钛合金的表面改性技术,在钛合金表面制备具有高硬度、耐磨和耐腐蚀性能的陶瓷层,进而研究其在生理环境下的生物摩擦学性能,对发展高性能的人工金属关节、提高医用钛合金人工关节的服役寿命,进一步促进钛合金在人工假体领域的广泛应用具有重要意义。本文利用固体渗碳剂对Ti6Al4V进行高温固体渗碳,在其表面制备高硬度渗碳层,可以有效的避免传统气体离子注入渗碳工艺引起的氢脆现象。本文对在不同工艺条件下渗碳后的表面形貌、成分、耐蚀性和生物摩擦学性能进行测试,分析渗碳工艺对渗碳层结构、成分、耐蚀性和摩擦学性能的影响。表面形貌分析可知,经过渗碳处理后试样的原始表面形貌发生了很大的改变,表面堆垛大量致密的颗粒状或棒状渗碳产物。随着渗碳温度的升高,表层结合力下降,极易剥落。在较高温度渗碳时,保温时间越长,生成的Ti C颗粒越粗大。当渗碳时间足够长时,保温时间对渗碳颗粒尺寸的影响较小。经简单抛光后发现,渗碳层表面存在大量微孔,Ti C颗粒堆垛而形成的孔隙中有次生的Ti C颗粒生成。渗碳后试样的原始表面形成一层很薄且疏松的氧化钛层,并存在少量的碳化钛、氮化钛和氧化铝。氧化物表层的存在并不会阻碍碳原子在基体中的渗透和扩散,对渗碳过程基本没有影响。原始表面去除后,经XRD分析表面主要是Ti C陶瓷层。随着渗碳温度的升高,Ti C含量增加;渗碳温度越高,渗碳层越厚;渗碳保温时间越长,渗碳层越厚。渗碳后试样表面硬度显著提高,渗碳后试样表面最大硬度可达到原始试样的4倍以上。Ti6Al4V经渗碳处理后,在生理盐水、稀硫酸、SBF溶液中的耐蚀性能下降,但仍属于耐蚀材料。经渗碳处理后,钛合金表面润湿性提高,有效的提高Ti6Al4V基体的生物相容性并有利于细胞的吸附。渗碳后试样的摩擦系数没有显著的变化,但由于试样表面硬度显著提高,在三种不同润滑条件下磨损率有明显下降,极大改善了Ti6Al4V合金在不同润滑条件下的耐磨损性能。
【关键词】：Ti6Al4V 高温固体渗碳 生物材料 TiC
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG156.81
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-20
• 变量注释表20-21
• 1 绪论21-34
• 1.1 医用钛金属材料21-25
• 1.2 钛合金的表面改性方法25-33
• 1.3 本文研究目标及内容33-34
• 2 实验材料及实验方案34-40
• 2.1 试验方法及原理34-35
• 2.2 实验材料及方案35-38
• 2.3 性能测试方法38-39
• 2.4 其他性能表征39-40
• 3 渗碳工艺对渗碳层性能的影响40-62
• 3.1 表面形貌分析40-44
• 3.2 表面粗糙度分析44-45
• 3.3 成分分析45-53
• 3.4 显微硬度分析53-54
• 3.5 截面形貌54-58
• 3.6 截面能谱分析58-60
• 3.7 本章小结60-62
• 4 电化学腐蚀性能及润湿性62-77
• 4.1 引言62
• 4.2 电化学腐蚀性能62-73
• 4.3 表面润湿性73-76
• 4.4 本章小结76-77
• 5 钛合金渗碳层的生物摩擦学性能77-88
• 5.1 引言77
• 5.2 实验结果77-87
• 5.3 本章小结87-88
• 6 结论88-90
• 参考文献90-97
• 作者简历97-101
• 学位论文数据集101

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 樊灿灿;宁静;孟松;李应龙;彭鹏;刘斌;;镍铬合金烤瓷牙的肾毒性:理论研究与临床验证[J];中国组织工程研究与临床康复;2010年03期

2 黎明,温诗铸;纳米压痕技术及其应用[J];中国机械工程;2002年16期

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本文编号：1015458