發布日期：2019-6-8 7:02:24
一般鈦及鈦合金比常用的生物體用合金CoCr合金和316L不銹鋼的耐磨性都較差,而且所產生的磨損粉在生物體內都有可能產生不良影響。因此,新開發的一些生物體用鈦合金在生物體內使用之前往往都要采取適當的表面處理,以提高其抗磨性。為了進一步達到提高鈦合金耐蝕性、耐磨性、抗微動磨損性、高溫抗氧化性等目的,對鈦合金進行表面處理是進一步擴大鈦合金使用范圍的有效途徑,可以這么說目前對金屬的表面處理方法幾乎全部應用到了鈦合金的表面處理上,包括金屬電鍍、化學鍍、熱擴散、陽極氧化、熱噴涂、低壓離子工藝、電子和激光的表面合金化、非平衡磁控濺射鍍膜、離子氮化、PVD法制膜、離子鍍膜、納米技術等等。來看在鈦合金表面形成TiO、TiN、TiC滲鍍層及TiAlN多層納米膜表面氧化處理提高其表面耐磨性仍是研究重點。
1）液相沉積:
TC4表面液相沉積生物陶瓷涂層。近年來,通過化學處理,在鈦合金基體植入件表面制取生物陶瓷涂層的探索性研究已有公開的報道。如用高濃度的NaOH或H2O2處理工藝,兩步堿處理工藝,還有人引入了乙烯基三乙氧基硅烷和聚丙烯酸鈉等調制劑來獲得生物陶瓷涂層。對TC4鈦合金進行簡單的酸堿預處理后,再在一種仿體液的快速鈣化溶液(FCS)中浸泡沉積,以期獲得梯度結合的生物活性好的鈦基HA生物陶瓷涂層復合材料。該方法的研究對鈦合金直接作為硬組織植入材料應用有著十分重要的理論意義和潛在的經濟價值。
2）表面氧化處理:
離子注入與其它表面處理技術 相比顯示了諸多優點,與物理或化學氣相沉積相比,主要優點在:①膜與基體結合好,抗機械、化學作用不剝落能力強;②注入過程不要求升高基體溫度,從而可保持工件幾何精度;③工藝重復性好等。許多研究者報道了氮離子注入對Ti6Al4V鈦合金表面成分、組織結構、硬度及摩擦學性能有良好改善效果。TiC也是超硬相,故鈦合金經離子注入碳也同樣可以強化鈦合金表面。但是由于等離子體基離子注入并非連續過程,施加每一負脈沖電位時,隨著脈沖電位由零下降至谷值,再回升至零,發生著濺射和注入兩個過程。如果等離子體中含有金屬或碳離子時,在脈沖電位為零時,在一定條件下還會在表面形成單一碳沉積層,在一定脈沖電壓(10~30kV)作用下,該單一碳層的結構為類金剛石碳(DLC)。從而可以獲得比注氮層摩擦系數更低,耐磨性更好的表面改性層。表面單一碳層經實驗確定其為DLC膜。經這樣處理的鈦合金,表面硬度提高4倍,在同種材料構成摩擦副,干摩擦條件下,摩擦系數由0·4下降至0·1,耐磨性較未離子注入的提高30倍以上。
3）離子束增強沉積(IBED):
利用離子束增強沉積(IBED)方法制備了CrC硬質膜,可用于鈦合金的微動磨損防護。研究表明,CrC顯示出最好的微動疲勞特性;而噴丸后涂覆的CrC膜則顯示出了最高的微動磨損抗力。離子轟擊:TC11鈦合金經氮離子轟擊表面處理后,表面可獲得由TiN和Ti2N組成的改性層,硬度為600~800HV;表面硬度的提高,有利于改善TC11鈦合金的耐磨性。等離子滲氮與噴丸處理:利用直流脈沖等離子電源裝置對Ti6Al4V鈦合金表面滲氮處理,采用噴丸形變強化(SP)對滲氮層進行后處理,在鈦合金表面獲得由TiN、Ti2N、Ti2A1N等相組成的滲氮層,該改性層能夠顯著地提高鈦合金常規磨損和微動磨損(FW)抗力,但降低了基材的FF抗力。滲氮層的減摩和抗磨性能與SP引入的表面殘余壓應力協同作用,使鈦合金FF抗力超過了SP單獨作用。提高滲氮層韌度對改善鈦合金FF和FW性能均十分重要。DLC膜:復合碳膜具有獨特的物理、力學和化學性能,它已被作為眾多的研究對象。利用射頻等離子體增強化學氣相沉積法制備類金剛石薄膜,其主要目的也是為提高鈦合金的表面硬度和耐摩擦性。試驗結果表明膜中鈦含量超過9%,膜的硬度將會下降,且膜基結合力強度也是有限的。
涂層技術:涂層技術是改善鈦合金抗氧化性的有效方法。美國一家公司研究出一種改善鈦合金抗氧化性能的新方法,在鈦合金基體上加一種均勻的銅合金涂層。涂層所用的銅合金可從以下三種組成中選取一種:1·銅+7%鋁;2·銅+4·5%鋁;3·銅+5·5%鋁+3%硅。涂層是在基體溫度低于619℃的條件下進行涂覆的。電鍍:在鈦合金表面鍍鎳、鍍硬鉻、鍍銀等。鍍銀目的是提高鈦合金的導電性和釬焊性。鈦合金基體上有一層致密的氧化物薄膜,電鍍不易進行,所以電鍍前必須對鈦合金表面進行預處理。
4）激光淬火:
據報道鈦合金TC11微動磨損量隨法向載荷和微動幅度的增大而增加。激光淬火后鈦合金TC11抗微動磨損能力有所提高,其提高幅度與微動幅度大小,抗微動磨損能力的改善是激光淬火使組織細化、硬度提高的結果。激光熔覆:航空發動機鈦合金鎳基合金摩擦副的接觸磨損是航空發動機使用中的一大難題,利用激光熔覆技術可獲得優良的涂層,為燃氣渦輪發動機零件的修復開創了一條新途徑,熔覆合金粉末是CoCrW和WC的機械混合物,提高了高溫耐磨和抗腐蝕性能,技術特點是制備時間短,質量穩定,并消除了由于熱影響可能產生的裂紋問題。
5）交流微弧氧化:
微弧氧化(MAO)是一項在金屬表面生長氧化物陶瓷膜的新技術。它從陽極氧化發展而來,但它施加了幾百伏的高壓,突破了陽極氧化對電壓的限制。該技術通過微弧放電區瞬間高溫高壓燒結直接把基體金屬變成氧化物陶瓷,并獲得較厚的氧化物膜。對鈦合金表面微弧氧化膜,獲得膜的硬度高并與金屬基體結合良好。改善了鈦合金表面的抗磨損、抗腐蝕、耐熱沖擊及絕緣等性能,在許多領域具有應用前景。