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《哈尔滨工程大学》 2010年
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医用316L不锈钢表面TaC及TaN基涂层的制备与评价

丁明惠  
【摘要】:采用射频磁控溅射技术在316L不锈钢表面制备了Ta_xC_(1-x)、TaC_xN_(1-x)和Ta(Ti)N三种惰性涂层。采用X射线衍射分析、透射电子显微观察、扫描电子显微镜观察、原子力显微镜观察、X射线光电子谱分析、纳米硬度、划痕实验、摩擦实验、电化学实验、血小板粘附实验研究了这三种惰性涂层的微观结构、相组成、力学性能、抗腐蚀性以及血液相容性,重点考察了磁控溅射工艺参数对其性能的影响规律。 SEM扫描结果显示三种惰性涂层都具有致密的结构,涂层中无大的孔洞存在。XRD结果表明溅射工艺参数对三种惰性涂层的微观结构都有影响。靶材上C与Ta的面积比和基体温度对Ta_xC_(1-x)涂层的相结构有明显的影响。靶材上C与Ta的面积比为1:3.8时,Ta_xC_(1-x)涂层的相组成为C3Ta4和Ta2C。C与Ta的面积比为1:5时,沉积温度低于150℃时Ta_xC_(1-x)涂层为非晶态结构,基体温度为300℃时Ta_xC_(1-x)涂层由15 ~ 25纳米的TaC纳米球晶组成。氮氩流量比和基体温度的不同都会导致TaC_xN_(1-x)涂层微观结构的变化,氮氩流量比为2:18时,基体温度低于200℃时TaC_xN_(1-x)涂层为非晶态结构,基体温度为200℃时TaC_xN_(1-x)涂层由6 ~ 9纳米的Ta2CN纳米晶组成。无Ti掺杂的Ta(Ti)N涂层为面心立方结构的晶体。随着涂层中Ti原子浓度的增加,Ta(Ti)N涂层的衍射图中没有出现TiN的衍射峰。发生变化的是TaN衍射峰向高角度方向偏移,这说明一部分Ti原子取代了Ta原子形成了TaN(Ti)固溶体。由于TaN和TiN都具有面心立方结构这种固溶体很容易形成。 纳米压痕的测试结果表明较高的温度下制备的Ta_xC_(1-x)和TaC_xN_(1-x)涂层有更高的硬度。氮氩流量比对TaC_xN_(1-x)涂层的硬度也会产生影响,当氮氩流量比为2:18时,TaC_xN_(1-x)涂层的硬度高达32 GPa。Ti原子取代Ta原子形成了Ta(Ti)N固溶体,固溶强化效应使Ta(Ti)N涂层的硬度高于TaN涂层的硬度。摩擦实验结果显示,Ta_xC_(1-x)和TaC_xN_(1-x)涂层都有低的摩擦系数,耐磨性好于316L不锈钢基体。划痕实验结果表明基体温度的提高有利于Ta_xC_(1-x)和TaC_xN_(1-x)涂层与基体结合力的提高。 电化学测试结果表明,在PBS模拟体液中Ta_xC_(1-x)、TaC_xN_(1-x)和Ta(Ti)N三种惰性涂层比316L不锈钢基体有更好的耐腐蚀性能。血液相容性实验结果表明,三种惰性涂层的血液相容性均优于316L不锈钢基体的血液相容性。Ta_xC_(1-x)和TaC_xN_(1-x)涂层的血液相容性主要受其表面粗糙度的影响。Ta(Ti)N涂层中Ti原子浓度的不同对其血液相容性没有明显的影响。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG174.4

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