氧化锆增强HA生物陶瓷涂层摩擦磨损性能研究

发布时间：2017-12-20 14:25

  本文关键词：氧化锆增强HA生物陶瓷涂层摩擦磨损性能研究　出处：《浙江工业大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：磨损是人工关节失效的主要原因之一,而人工关节再次置换所需的手术费和失败率高,给病人带来巨大的身心伤害和经济损失。羟基磷灰石陶瓷(HA)具有良好的生物活性和生物相容性,是人工植入体的理想材料,然而,纯的HA涂层脆性大、强度低、耐磨性较差,难于达到人体承重部位所需的力学要求,限制了其在人体承重部位的应用。因此,改善HA涂层材料性能,增加其耐磨性和机械强度,延长使用寿命,是硬组织植入材料今后发展的一个重要方向。本文利用等离子喷涂技术在钛合金基体制备不同氧化锆(ZrO2)含量(0wt.%、15wt.%和30wt.%)的HA/ZrO2复合陶瓷涂层(分别标号为HA0、HA15和HA30),研究了增强相氧化锆含量对涂层物相成分、微观组织、显微硬度、结合强度以及拉伸断裂机制等性能表征的影响;利用销盘磨损试验机研究了不同ZrO2含量的HA/ZrO2复合涂层在干摩擦和牛血清润滑环境下的摩擦磨损性能;研究了在牛血清环境下载荷和转速对HA30涂层摩擦性能和磨损机理的影响,利用Stribeck曲线研究了HA30涂层在牛血清和水环境下的润滑机理。本文的主要工作和成果如下:(1)HA0涂层表面粒子铺展良好,但也存在一些孔洞和未熔颗粒。HA15和HA30涂层表面都出现了针片状晶粒,凝固镶嵌在涂层表面,使涂层表面孔隙数量减小,表面更加均匀。各涂层试样的截面微观形貌呈现明显的层片状结构,都存在着不同数量孔洞和凹坑。另外,HA30陶瓷涂层与中间ZrO2过渡层的结合界限不是特别明显,两者之间的微观组织较为紧密;中间ZrO2过渡层能够与钛合金基体的结合界面呈现犬牙交错的形貌,实现良好的机械咬合。(2)从HA0、HA15和HA30涂层物相分析来看,各涂层都存在少量α-TCP和β-TCP。其中,HA0涂层的主要物相以HA为主,而HA15和HA30涂层中的ZrO2以立方相形式存在,且ZrO2的衍射峰强度高于HA。随着ZrO2含量增大,复合涂层的孔隙率呈递减趋势,显微硬度和结合强度呈递增趋势,HA0、HA15和HA30涂层的孔隙率分别为12.2%、9.9%和8.5%;其显微硬度分别为347.5HV0.1、527.1HV0.1和544.2HV0.1;结合强度分别为16.50MPa、22.84MPa和27.56MPa。涂层拉伸断口微观形貌主要由光滑区域和阶梯状区域组成。随着ZrO2含量的增大,光滑区域面积在拉伸断口面积中所占比重越大。(3)无论是在牛血清还是在干摩擦情况下,HA30和HA15涂层都比纯的HA涂层表现出更低的磨损率和摩擦系数。在牛血清润滑环境下,HA0涂层的磨损机理以犁沟效应和磨粒磨损为主,而HA15和HA30涂层的磨损机理为微观剥落磨损。各涂层试样磨损之后的表面粗糙度小于磨损之前的表面粗糙度,并且在牛血清中磨损之后的表面粗糙度小于在干摩擦磨损之后的表面粗糙度。(4)在牛血清环境下,载荷对HA30涂层的摩擦系数和磨损率影响较大,HA30涂层的磨损率和摩擦系数随着载荷的增大而增大。HA30涂层在40N载荷下的磨损表面微观形貌较为粗糙,缺少一定的光泽感,表面微裂纹较少;在载荷为80N和120N时,涂层磨损表面较为致密光滑,表面微裂纹较多。HA30涂层在低载荷下的磨损机理为微观剥落,当载荷进一步提高时,其磨损机理转化为脆性断裂引起的剥落磨损。(5)在牛血清环境下,HA30涂层的摩擦系数随着转速的增加而逐渐递减。磨损率则先随着转速的增大而减小,而后随着转速的增大而增大,具体来说,50~90r/min范围内,磨损率随着转速的增大而减小,在90~150r/min范围内,则随着转速的增大而增大。当转速较低时,HA30涂层与ZrO2陶瓷销之间的润滑膜厚度较小并且不连续,摩擦副的微凸体对涂层表面产生明显的剪切应力,使大块扁平粒子发生脆性断裂而失效剥落,使涂层的磨损率较大。随着转速的增大,牛血清的承载能力增强,润滑膜厚度加大,磨损率相应减小,然而,过高的转速使磨屑颗粒的动能增大,对涂层表面产生较大的冲击磨损,使涂层的磨损率增大。(6)HA30涂层在水润滑环境下的摩擦系数约为0.456左右,相应的Stribreck曲线未出现了混合润滑区域和流体动压润滑区域,而在牛血清润滑条件下,HA30涂层在210r/min的转速下出现最低的摩擦系数0.225,相应的Stribeck曲线则出现了混合润滑区域和流体动压润滑区域。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4

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