Ti13Nb13Zr的熱氧化層制備及其性能研究.pdf

1、Ti13Nb13Zr合金是具有高強度、高韌性、高的疲勞強度及良好的生物相容性的生物鈦合金。Ti13Nb13Zr合金的表面硬度比較低，耐磨性差，制約了其在人工關(guān)節(jié)中的廣泛的應用。高溫下，氧比較容易固溶于鈦合金中，形成鈦的氧化物，起到固溶強化的作用，因此，可以利用熱氧化技術(shù)對Ti13Nb13Zr合金進行鈦合金的表面改性。
　　本文對Ti13Nb13Zr合金的熱氧化行為進行研究，測試分析了Ti13Nb13Zr合金經(jīng)熱氧化后的表面成分、表

2、面形貌、力學性能、耐腐蝕性能、表面潤濕性及生物摩擦學性能，綜合評價Ti13Nb13Zr合金熱氧化后的表面性能。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)熱氧化處理后，Ti13Nb13Zr合金表面生成了成分主要為硬度及耐磨性比較好的金紅石型TiO2熱氧化層。隨著熱氧化溫度的增加，表面熱氧化層厚度增加幅度顯著，由2.19μm增加到288.50μm，Ti13Nb13Zr合金的表面硬度得到很大提高，在熱氧化溫度為900℃時，該合金的硬度達1038HV，是未經(jīng)熱氧化處理的Ti

3、13Nb13Zr合金的4.47倍。隨著氧體積含量的增加，Ti13Nb13Zr合金的熱氧化層厚度變化幅度不大，保持在40.52~51.72μm之間，Ti13Nb13Zr合金的表面硬度也得到提高，在氧體積含量為40％時，合金的表面硬度達到最大值為1038 HV。隨熱氧化時間的增加，Ti13Nb13Zr合金的表面硬度均保持在1000 HV左右。經(jīng)熱氧化處理后，Ti13Nb13Zr合金的表面納米硬度也有很大改善，在經(jīng)800℃熱氧化處理后，合金的

4、納米硬度為16.37 GPa，提高了3.76倍。Ti13Nb13Zr合金在2 h到10 h之間的氧化增重曲線符合直線氧化動力學規(guī)律，氧化層的生長速度與時間成正比，氧化速度比較快。熱氧化溫度分別為700℃、800℃、900℃、1000℃熱氧化處理的Ti13Nb13Zr合金的熱氧化速率常數(shù)分別為：0.222 mg2·cm-4·h-1，0.488 mg2·cm-4·h-1，48.003 mg2·cm-4·h-1，664.914 mg2·cm-

5、4·h-1。隨著溫度的增加，Ti13Nb13Zr合金的熱氧化速率常數(shù)增加，Ti13Nb13Zr合金抗氧化能力減小，被氧化的程度增大。經(jīng)熱氧化處理后，Ti13Nb13Zr合金的接觸角均有下降，粘附功降低，熱氧化后的Ti13Nb13Zr合金潤濕性能均有得到改善。其中，熱氧化時間為4 h，溫度為900℃，氧體積含量為40%熱氧化處理的Ti13Nb13Zr合金的表面潤濕角為68.50°，最接近細胞粘附的最優(yōu)潤濕角70°。同時，Ti13Nb13Z

6、r合金經(jīng)熱氧化處理后的耐腐蝕性得到了明顯的提高，其中熱氧化條件為溫度為900℃，氧體積含量為40%處理的Ti13Nb13Zr合金的自腐蝕電位為-0.1902 V，自腐蝕電流為1.658×10-9 A/cm2，腐蝕深度是0.14×10-4 mm/a，耐腐蝕性能最佳。Ti13Nb13Zr合金的生物摩擦學試驗中還發(fā)現(xiàn)，Ti13Nb13Zr合金經(jīng)過熱氧化處理表面生成的金紅石型TiO2提高了該合金的耐磨性，對該合金在人工關(guān)節(jié)領(lǐng)域的應用有極大的幫助