離子注入層與DLC膜耦合鈦合金的制備及性能研究.pdf

1、隨著人類對生命質量的要求越來越高,體內置換的各類人工關節(jié)會越來越多,精度要求也越來越高,如此龐大的市場需求,使得承擔頸椎關鍵功能的人工頸椎間盤關節(jié)假體材料必須具有極高的可靠性保障。目前臨床上使用的假體材料仍以鈦合金(Ti6Al4V)為主,其具有優(yōu)良的抗腐蝕性能,對MRI、CT的干擾較小,扭轉、軸向強度更接近骨骼,但耐磨性較差。本文采用離子注入層與類金剛石(DLC)薄膜耦合的技術對鈦合金進行表面改性處理,研究不同條件下改性后的組織結構及其

2、摩擦學性能。
　　不同能量的碳離子注入到鈦合金后,在其表面檢測到的元素有C、N、O以及Ti元素。當碳元素的注入劑量較高時,試樣表面有TiC的存在,這使得改性后的硬度得到提高,且離子注入能量較大時,薄膜更光滑致密。
　　增大射頻功率,通入氣源CH4和H2,成功的在離子注入Ti6Al4V基體表面沉積了一定厚度的DLC薄膜。薄膜表面比較平整,薄膜由微粒組成,膜微粒細小,呈現(xiàn)出均勻排列、相對致密的微突起形貌特征,表面沒有裂紋產(chǎn)生。通

3、過對類金剛石薄膜中C1s結合能譜峰進行Guass面積積分擬合,發(fā)現(xiàn)制備的類金剛石薄膜中sp3C的含量達59％。經(jīng)納米力學測試,試樣的硬度在10GPa以上,且隨著離子注入能量的增大,硬度逐漸增大。
　　球-盤滑動摩擦實驗中,改變載荷,DLC膜處理的Ti6Al4V合金與未處理的Ti6Al4V合金相比,具有低的摩擦因數(shù)。未處理的Ti6Al4V合金在滑行過程中產(chǎn)生犁削,和塑性變形,磨損嚴重,DLC膜處理的Ti6Al4V合金主要發(fā)生疲勞剝落

4、磨損。在較小的載荷下,離子注入與DLC膜耦合的摩擦系數(shù)較低,沿著磨損方向有犁溝,但是磨損不太嚴重。當載荷較大時,碳離子注入能量越大,耦合試樣表現(xiàn)出的摩擦學性能越優(yōu)異。
　　球-窩扭動摩擦實驗中,Ti6Al4V合金的T-θ曲線是由橢圓形向平行四邊形漸變的一個過程,相應的扭動微動運行狀態(tài)也由部分滑移轉變成完全滑移。當扭動微動處于部分滑移區(qū)時,接觸面的扭動運動由兩接觸體的彈性變形來協(xié)調,接觸表面處于粘著狀態(tài),幾乎沒有相對滑移,磨損以黏著