TC4人工关节球头的抛光及摩擦磨损性能研究
发布时间：2021-01-21 05:52
目前生物材料领域已经成为一个至关重要的领域,钛合金（TC4）以其良好的机械综合性能及生物相容性被广泛应用于生物医用植入物,但钛合金的机械加工性能较差,想要获得高的表面质量及尺寸精度仍然是一项难题,本文通过设计实验机,研究球头球窝的接触力学特性、球面工具摩擦磨损、抛光流体薄膜流体特性。首先,由于钛合金球头抛光的面为球面,自主设计抛光实验机,该抛光实验机能够实现自转和摆动的复合运动对工件进行加工,对TC4钛合金球头抛光机进行仿真分析,验证了试验台力学方面的可靠性,且在抛光过程中,能够有效的避免共振现象,同时能够实现抛光过程中摩擦扭矩的实时采集,分析抛光过程中的摩擦磨损特性。然后,以实验机模型为原型,建立了球头-工具球窝模型,探究了载荷、工具球窝厚度等因素对接触力学的影响。在施加载荷后,应力的最大值分布在球头与球窝的亚表层;随着载荷的增加,球头球窝的应力分布区域逐渐增大,最大接触压力也不断增大但载荷与接触应力的关系并非线性关系;随着球窝厚度的增加,截面处的最大应力在不断减小且逐渐平缓;在考虑球头-球窝之间摩擦时,随着摩擦系数的增加,接触压力在不断增加,但增加的并不显著;球头-球窝间隙对截面应...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电解抛光实验装置
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4现工件的全局平坦化。典型的CMP结构如图1-2。图1-2化学机械抛光结构示意图整个系统主要是由旋转的抛光头，装有抛光垫的抛光盘和抛光液三大部分组成。将抛光工件固定到抛光旋转头上，抛光垫与抛光旋转头在一定压力下作用下相接触，同时将抛光液输送到工件与抛光垫之间，随着抛光工件与抛光垫发生相对运动，抛光液到达工件的各个位置，含有微纳米磨粒的抛光液与工件表面发生化学反应，生成一层容易被去除的反应膜，然后生成的化学反应膜在磨粒与抛光垫的共同作用下被去除[17]。RoopeshM.Kaushik等[18]采用了一种环保型抛光液对VT20钛合金进行无磨粒的化学机械抛光，抛光前，试件的表面粗糙度为Ra0.1μm，经过十分钟的化学机械抛光后，试件的表面粗糙度Ra变为0.04μm，对得到的抛光试件继续抛光，最终试件的表面粗糙度为Ra0.96nm。ZhenyuZhang等[19]采用了一种环保型抛光液对钛合金进行化学机械抛光实验，抛光液采用PH为4的酸性抛光液，成分为40wt.%SiO2、8.3wt.%H2O2、苹果酸和去离子水，在CMP过程中，工件和抛光垫的转速分别为60rpm和53rpm，抛光压力为50kpa，抛光时间为20min，抛光后试件的表面粗糙度为Ra0.68nm，测量面积为70*53μm2。实验发现随着H2O2的加入，腐蚀电流也不断增加，表明钛合金在抛光过程中发生了氧化反应。梁晨亮等人[20]对采用了化学机械抛光的方法对Ti-6Al-4V进行抛光，获得了平坦度为纳米级的镜面状的表面，抛光后得到试件表面粗糙度为Ra1.899nm，并通过电化学方法结合X射线光电子能谱(XPS)研究了CMP过程中可能发生的反应，发现抛光后的表面主要是钛和铝这两种元素的氧化物。戴婧媛等人[21]采用化学机械抛光的方法对钛基片进行了化学机械抛光实验，经过化学机械?
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文5速率为156.5nm/min，并且发现二氧化硅颗粒和乳酸在钛表面有不同程度的吸附缓蚀作用，氨水和氟离子的络合、扩散的中间平衡状态才能得到最佳抛光效果，采用XPS测试抛光后的钛基片表面，发现其表面形成了疏松氧化层。CMP过程涉及的学科众多，作用机理非常复杂，目前主要有4种建模方法，包括基于化学抛光过程的维象方法[22]、基于流体动力学的方法[23]、基于接触力学理论上的方法[24]及基于接触力学和流体力学上的方法[25,26]。1.2.4激光抛光激光抛光技术是20世纪90年代中期在全球范围内兴起的，是一种非接触式的抛光技术，到如今，已经有大量的学者参与了研究。激光抛光技术是用含有高能量密度的激光束照射工件的表面，利用光化作用与热作用使表面材料熔化、蒸发，从而达到材料的去除以及表面质量的提高。如图1-3所示为激光抛光原理图。影响激光抛光效果的因素众多，主要包括工件的材料、激光的波长、激光能量密度、激光光束入射角等。图1-3激光抛光结构示意图Wang[27]等人研究了激光抛光对增材制造的CoCr合金表面组织与耐腐蚀性的影响，通过实验及观察发现：在一定范围内，高的激光功率和较小的物距（激光透镜与试件表面的高度差）可以促进复杂氧化膜的形成，这种氧化膜具有较高的耐腐蚀性，同时，在激光抛光熔体凝固过程中，物距对冷却速率有明显的影响，快速冷却会产生较大的缺陷，将导致晶体相由相转向相。Ma等人[28]对增材制造的Ti-6Al-4V和TC11钛合金进行了激光抛光实验，表面粗糙度由原始的5.226μm降低至0.375μm，这两种合金在抛光后，在表层形成了相钛合金，由于相钛合金的形成，使得他们的硬度得到了显著的提高，分别增加了32%和42%，
本文编号：2990592
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
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【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电解抛光实验装置
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4现工件的全局平坦化。典型的CMP结构如图1-2。图1-2化学机械抛光结构示意图整个系统主要是由旋转的抛光头，装有抛光垫的抛光盘和抛光液三大部分组成。将抛光工件固定到抛光旋转头上，抛光垫与抛光旋转头在一定压力下作用下相接触，同时将抛光液输送到工件与抛光垫之间，随着抛光工件与抛光垫发生相对运动，抛光液到达工件的各个位置，含有微纳米磨粒的抛光液与工件表面发生化学反应，生成一层容易被去除的反应膜，然后生成的化学反应膜在磨粒与抛光垫的共同作用下被去除[17]。RoopeshM.Kaushik等[18]采用了一种环保型抛光液对VT20钛合金进行无磨粒的化学机械抛光，抛光前，试件的表面粗糙度为Ra0.1μm，经过十分钟的化学机械抛光后，试件的表面粗糙度Ra变为0.04μm，对得到的抛光试件继续抛光，最终试件的表面粗糙度为Ra0.96nm。ZhenyuZhang等[19]采用了一种环保型抛光液对钛合金进行化学机械抛光实验，抛光液采用PH为4的酸性抛光液，成分为40wt.%SiO2、8.3wt.%H2O2、苹果酸和去离子水，在CMP过程中，工件和抛光垫的转速分别为60rpm和53rpm，抛光压力为50kpa，抛光时间为20min，抛光后试件的表面粗糙度为Ra0.68nm，测量面积为70*53μm2。实验发现随着H2O2的加入，腐蚀电流也不断增加，表明钛合金在抛光过程中发生了氧化反应。梁晨亮等人[20]对采用了化学机械抛光的方法对Ti-6Al-4V进行抛光，获得了平坦度为纳米级的镜面状的表面，抛光后得到试件表面粗糙度为Ra1.899nm，并通过电化学方法结合X射线光电子能谱(XPS)研究了CMP过程中可能发生的反应，发现抛光后的表面主要是钛和铝这两种元素的氧化物。戴婧媛等人[21]采用化学机械抛光的方法对钛基片进行了化学机械抛光实验，经过化学机械?
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文5速率为156.5nm/min，并且发现二氧化硅颗粒和乳酸在钛表面有不同程度的吸附缓蚀作用，氨水和氟离子的络合、扩散的中间平衡状态才能得到最佳抛光效果，采用XPS测试抛光后的钛基片表面，发现其表面形成了疏松氧化层。CMP过程涉及的学科众多，作用机理非常复杂，目前主要有4种建模方法，包括基于化学抛光过程的维象方法[22]、基于流体动力学的方法[23]、基于接触力学理论上的方法[24]及基于接触力学和流体力学上的方法[25,26]。1.2.4激光抛光激光抛光技术是20世纪90年代中期在全球范围内兴起的，是一种非接触式的抛光技术，到如今，已经有大量的学者参与了研究。激光抛光技术是用含有高能量密度的激光束照射工件的表面，利用光化作用与热作用使表面材料熔化、蒸发，从而达到材料的去除以及表面质量的提高。如图1-3所示为激光抛光原理图。影响激光抛光效果的因素众多，主要包括工件的材料、激光的波长、激光能量密度、激光光束入射角等。图1-3激光抛光结构示意图Wang[27]等人研究了激光抛光对增材制造的CoCr合金表面组织与耐腐蚀性的影响，通过实验及观察发现：在一定范围内，高的激光功率和较小的物距（激光透镜与试件表面的高度差）可以促进复杂氧化膜的形成，这种氧化膜具有较高的耐腐蚀性，同时，在激光抛光熔体凝固过程中，物距对冷却速率有明显的影响，快速冷却会产生较大的缺陷，将导致晶体相由相转向相。Ma等人[28]对增材制造的Ti-6Al-4V和TC11钛合金进行了激光抛光实验，表面粗糙度由原始的5.226μm降低至0.375μm，这两种合金在抛光后，在表层形成了相钛合金，由于相钛合金的形成，使得他们的硬度得到了显著的提高，分别增加了32%和42%，
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