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TC4合金表面激光原位合成Ti-Ti_x(B/C/Si)_y系生物相容涂层的研究

作 者: 张政
导 师: 王爱华
学 校: 华中科技大学
专 业: 材料学
关键词: 医用TC4合金 激光原位合成 组织结构 摩擦磨损 电化学腐蚀 生物相容性
分类号: TG174.4
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


生物相容性涂层材料兼容了金属材料的优良的力学性能和涂层材料的生物性能,被认为是制备具有优良的综合性能的生物材料的最为有效的方法。但由于常规的生物涂层材料多是陶瓷材料,与金属材料的热膨胀系数相差甚大,且材料相容性较差,加之常规工艺方法制备的涂层与基材只有机械结合,导致涂层与基材之间的结合强度低,容易造成涂层开裂、剥落等缺陷,很难在金属表面制备出满足临床应用要求的生物涂层。而采用激光原位合成法是解决上述问题的有效的方法。本文采用脉冲YAG激光原位合成工艺,在医用TC4合金表面分别制备Ti/TiB、Ti/TiC及Ti/Ti-Si生物复合涂层。通过优化工艺参数(电流、脉宽、频率、扫描速率、预置涂层厚度等)制备出无裂纹、气孔等缺陷,与基材呈冶金结合的复合涂层。通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱(EDX)、X射线衍射(XRD)、摩擦磨损试验、电化学腐蚀试验及细胞增殖试验分别对复合涂层的组织形态、相组成、增强相形成和生长机理、耐磨性、耐蚀性及生物相容性进行全面的研究。Ti-B系涂层经过激光熔凝后,熔凝层内原位合成了Ti/TiB复合材料,组织形态呈胞状晶和树枝状晶。随着B含量的提高,复合层内的TiB相含量提高,高导热性的TiB相导致复合层内组织形态由树枝晶向胞状晶发生转变,硬度值由770HV0.1提高到1550HV0.1。Ti-C系涂层在激光熔凝后,复合涂层内的TiC主要呈树枝状晶和少量的胞状晶,随着C含量的提高,合金粉末对激光的吸收效率提高,且原位合成反应的放热效应变的显著,复合涂层的冷却速度降低,复合涂层的显微组织变的粗大且均匀,硬度测试发现,当合金粉末为67%C+33%Ti时,复合涂层的硬度最高,但其硬度分布不均匀,合金粉末为C时,复合涂层的显微硬度次之,但硬度分布均匀。Ti-Si系涂层在激光熔凝后,复合涂层内原位合成硅化物,当Si的含量较低时,硅化物主要以Ti5Si3存在,硅的含量提高到一定程度复合涂层中出现有韧性相TiSi2,TiSi2的存在显著改善了Ti5Si3的脆性。磨损试验表明,经B、C、Si分别合金化后的复合涂层的摩擦系数显著降低耐磨性较基材提高了4.35—28.89倍,基材的磨损表现为严重的粘着磨损,而复合涂层中有由于有硬质相TiB、TiC及Ti5Si3的存在,磨损机制表现为磨粒磨损。电化学腐蚀试验表明复合涂层以电偶腐蚀为主,由于TiB、TiC及Ti5Si3的电位较基材正,在腐蚀过程中,复合涂层中的Ti优先发生腐蚀,而TiB、TiC及Ti5Si3受到保护,随着复合涂层中TiB、TiC及Ti5Si3浓度的增加,复合涂层的钝化效果不明显,其耐蚀性提高,但由于合金化中间区域的冷却速度较慢,晶界有杂质析出,在腐蚀过程中产生微电池效应,从而导致部分复合涂层的耐蚀性能较基材有所恶化。细胞增殖试验表明,本研究制备的复合涂层的生物相容性较喷砂处理TC4合金有明显的改善。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-24
  1.1 钛合金表面制备生物相容性涂层的研究现状  12-16
  1.2 激光合金化技术  16-20
  1.3 钛合金的激光合金化研究现状  20-21
  1.4 课题背景及选题意义  21
  1.5 研究内容  21-24
2 实验材料及方法  24-30
  2.1 试验材料  24-26
  2.2 试验设备  26
  2.3 试验方法  26-27
  2.4 组织结构分析方法  27-30
3 激光原位合成工艺参数优化方法  30-34
  3.1 涂层厚度影响  30-31
  3.2 电流大小影响  31
  3.3 扫描速率对激光复合涂层表面形貌的影响  31-32
  3.4 激光脉冲频率对激光复合涂层表面形貌的影响  32
  3.5 激光脉宽对激光复合涂层表面形貌的影响  32-34
4 激光原位合成涂层组织结构及物相组成分析  34-51
  4.1 Ti-B 系涂层  34-40
  4.2 Ti-C 系涂层  40-45
  4.3 Ti-Si 系涂层  45-50
  4.4 本章小结  50-51
5 原位复合涂层的性能测试和分析  51-69
  5.1 复合涂层的显微硬度分析  51-54
  5.2 复合涂层摩擦磨损性能分析  54-57
  5.3 复合涂层的耐蚀性能分析  57-65
  5.4 复合涂层生物相容性分析  65-68
  5.5 本章小结  68-69
6 全文结论  69-71
展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-78
附录 攻读学位期间发表学术论文  78

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属腐蚀与保护、金属表面处理 > 腐蚀的控制与防护 > 金属表面防护技术
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