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Ti6A14V合金及其改性层的冲击磨损行为研究

王艳  
【摘要】:Ti6A14V合金以其良好的耐腐蚀性和生物相容性,以及接近人骨的弹性模量等在生物医用领域得到了广泛应用。但Ti6A14V合金耐磨性很差,不耐磨,采用表面涂镀层与改性处理解决其耐磨难题是经济而有效的技术途径之一。本文采用高频低压等离子体浸没离子注入、非平衡磁控溅射以及磁过滤直流阴极真空弧源沉积技术,分别在Ti6A14V合金基体上制得N+注入与氮化层、TiN膜、DLC膜,分析了其冲击磨损性能及机理,具有重要的医学应用意义和理论指导意义。 本文研制了一台可进行小载荷往复冲击运动的试验机。并在该机上对Ti6A14V合金基体及其改性层进行了冲击试验研究。借助金相显微镜(OM)、x射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)及台阶仪等考察了Ti6A14V合金基体及改性层的冲击磨损行为,全文主要结论如下: 1.所研制的冲击磨损试验机主要技术性能参数(冲击载荷F、冲击周次N、冲击频率f等)调节灵活,试样装夹方便;冲击系统采用球-平面接触方式,通用性强。该机采用微机控制,可控性强、试验精度较高。其适用试验范围接近一般工程状态,试验表明该机可作为研究材料小载荷冲击磨损的基本工具。 2.基体材料Ti6A14V及其改性后试样的磨损深度均随冲击周次的增加而增加,但非线性关系。试样的冲击磨损过程可用3个阶段来描述,即无磨损阶段(Ⅰ)、微量磨损阶段(Ⅱ)和严重磨损阶段(Ⅲ),随冲击载荷的减小,试样处于Ⅰ、Ⅱ阶段的冲击周次增加,材料的磨损过程减缓;反之,则加速材料的磨损进程。在这3个阶段中,试样处于无磨损阶段经历的冲击周次相对较少,而在微量磨损阶段会保持相对较长的冲击周次,这与冲击过程中试样表面的微观变化密切相关。试样进入严重磨损阶段后疲劳剥落是小载荷冲击条件下试验试样的共同失效机制,其失效的过程是磨损与疲劳的复合过程。 3.在试验试样中基体材料Ti6A14V合金的塑性变形量最大,其失效机理主要表现为粘着磨损和疲劳剥落。离子注入与氮化处理能有效地阻止裂纹的扩展、减缓试样严重磨损的进程,使试样表面抗冲击磨损能力得到改善;同时,离子注入与氮化处理降低小载荷冲击时基体材料的粘着性能,从而提高试样的抗冲击磨损能力。非平衡磁控溅射TiN薄膜的冲击磨损机制主要是塑性变形、疲劳剥落;与基体材料Ti6A14V合金对比研究表明:TiN薄膜的临界冲击周次比基体材料明显提高。主要原因在于TiN薄膜较高的硬度、表面残余压应力的产生以及较低的表面粗糙度。利用磁过滤阴极真空弧沉积方法制备的两种厚度的DLC膜均具有较高的抗冲击磨损性能,其原因在于DLC膜是由微小颗粒组成的非晶态结构,硬度较高,膜与基体的结合力较好。而厚度为303.9 nm的DLC1膜抗冲击磨损能力优于厚度为70.2 nm的DLC2膜,这与膜层厚度及结构特征有关。 4.小载荷反复冲击条件下试样的失效过程可概括为:塑性变形、裂纹萌生及扩展、剥落;并认为影响试样磨损寿命的主要因素有:表面粗糙度、硬度、膜-基结合强度、表面残余应力等。试验表明:多次冲击磨损的过程实质上是材料累积损伤的过程;要提高材料的抗冲击磨损性能,不仅要求材料表面具有高的硬度,以抵抗试样的塑性变形;而且要求材料表面具备推迟裂纹产生的时间以及减小裂纹在外应力下扩展速度的能力。本文中的改性处理工艺不仅提高了Ti6A14V合金的表面硬度,增加了Ti6A14V合金抗粘着磨损和接触疲劳磨损的能力;而且又强化了Ti6A14V合金的表面,保证了良好的膜-基结合,使试样表面具有高的强度和韧性,延缓了裂纹的产生和扩展。


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