医用钛合金Ti13Nb13Zr表面改性层制备及其性能研究

发布时间：2017-09-11 18:11

  本文关键词：医用钛合金Ti13Nb13Zr表面改性层制备及其性能研究

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【摘要】：钛合金如Ti13Nb13Zr由于具有低弹性模量、高强度、高韧性、高疲劳强度和抗腐蚀性以及良好生物相容性等优点，被广泛应用于航空、化学和生物医用领域。然而，钛合金植入人体内，常常会由于硬度低、耐磨性差而导致植入体失效。针对以上问题，本文采用磁控溅射镀膜和等离子氮化技术，在Ti13Nb13Zr合金表面制备改性层，并对两种表面改性合金的组织结构、显微硬度及膜基结合力进行测试。对比未处理的基材，分析了改性合金在不同介质中的摩擦学性能及在人工模拟体液中的电化学行为，同时探讨其相应机理。研究结果表明： （1）对两种改性层的组织成分及结构进行研究。经镀膜和渗氮改性后Ti13Nb13Zr基体表面均形成了组织致密均匀的改性层，厚度分别约为3μm和5μm。渗氮处理表面主要由TiN和Ti2N相组成，镀膜处理表面主要由TiN相组成。 （2）对两种改性合金的力学性能进行研究。两种改性合金的表面复合硬度是基材的4倍。经渗氮处理后的改性层与基材有良好的结合性能，，而镀膜处理后的薄膜与基材的结合强度较差。 （3）对两种改性合金的摩擦磨损性能及机理进行研究，并在相同的条件下与基材进行对比。结果表明，以刚玉球为配副，在大气介质中，两种改性处理对基材均有减摩作用；在人工模拟体液中，两种改性处理对基材均没有减摩作用；在大气和人工模拟体液介质中，两种改性处理均不同程度的提高了Ti13Nb13Zr的耐磨性。在大气介质中，改性试样的磨损机理主要是磨粒、氧化、粘着磨损；在人工模拟体液介质中，改性试样的磨损机理主要是磨粒、粘着磨损。 （4）对两种改性合金在人工模拟体液中的电化学腐蚀性能及机理进行研究，并在相同的条件下与Ti13Nb13Zr基材的电化学性能进行对照。结果表明，镀膜和渗氮处理的合金的自腐蚀电位分别为-0.354V和-0.191V，较未处理的基材的自腐蚀电位（-0.492V）明显正移；自腐蚀电流密度相比基体材料均减小；两种改性合金均提高了Ti13Nb13Zr合金的耐蚀性能。
【关键词】：Ti13Nb13Zr 离子氮化 TiN膜 摩擦磨损 电化学腐蚀
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 文献综述11-23
• 1.1 医用钛及钛合金11-14
• 1.1.1 钛合金的分类及特点11-12
• 1.1.2 医用钛合金的发展过程12
• 1.1.3 医用钛合金的应用12-13
• 1.1.4 医用钛合金存在的主要问题13-14
• 1.2 医用钛合金的表面改性14-16
• 1.2.1 提高医用钛合金生物活性14
• 1.2.2 提高医用钛合金耐磨性能14-15
• 1.2.3 提高医用钛合金耐蚀性能15-16
• 1.3 等离子渗氮及磁控溅射技术16-19
• 1.3.1 等离子渗氮技术原理及应用16-17
• 1.3.2 磁控溅射技术原理及应用17-19
• 1.4 课题的提出19-23
• 1.4.1 基材的选择19
• 1.4.2 实验方法的选择19-20
• 1.4.3 课题的意义20-21
• 1.4.4 课题的主要内容21-23
• 第二章 Ti13Nb13Zr 表面改性层的制备23-27
• 2.1 实验材料及实验设备23-25
• 2.1.1 实验材料23
• 2.1.2 实验设备23-25
• 2.2 制备改性层过程25-26
• 2.2.1 离子氮化过程25
• 2.2.2 磁控溅射镀膜过程25-26
• 2.2.3 工艺参数的确定26
• 2.3 小结26-27
• 第三章 改性层的表征27-33
• 3.1 分析测试方法27
• 3.2 改性层形貌及组织结构分析27-30
• 3.2.1 改性层表面形貌及元素组成27-28
• 3.2.2 改性层截面显微组织28-29
• 3.2.3 改性层的相组成29-30
• 3.3 改性层的机械性能30-32
• 3.3.1 改性层的复合硬度30
• 3.3.2 改性层与基体结合性能30-32
• 3.4 小结32-33
• 第四章 改性层摩擦磨损性能分析33-47
• 4.1 摩擦学基本理论33-34
• 4.1.1 摩擦磨损33-34
• 4.1.2 磨损性能评价34
• 4.2 测试仪器及方法34-35
• 4.2.1 实验设备34
• 4.2.2 实验条件34-35
• 4.3 实验结果及分析35-44
• 4.3.1 大气介质的摩擦磨损35-40
• 4.3.2 人工模拟体液介质的摩擦磨损40-44
• 4.4 磨损机理讨论44
• 4.5 小结44-47
• 第五章 改性层腐蚀性能研究47-57
• 5.1 腐蚀学基本理论47-50
• 5.1.1 电化学腐蚀热力学和动力学理论47-48
• 5.1.2 金属的钝化理论48-49
• 5.1.3 腐蚀性能评价49-50
• 5.2 测试仪器及方法50
• 5.3 实验结果与分析50-56
• 5.3.1 极化曲线测量50-52
• 5.3.2 电化学阻抗谱52-56
• 5.4 电化学腐蚀分析与讨论56
• 5.5 小结56-57
• 第六章 结论57-59
• 参考文献59-65
• 攻读硕士期间发表的论文65-67
• 致谢67

【参考文献】

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本文编号：832274