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(duì)生命質(zhì)量的要求越來(lái)越高,體內(nèi)置換的各類人工關(guān)節(jié)會(huì)越來(lái)越多,精度要求也越來(lái)越高,如此龐大的市場(chǎng)需求,使得承擔(dān)頸椎關(guān)鍵功能的人工頸椎間盤關(guān)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(duì)MRI、CT的干擾較小,扭轉(zhuǎn)、軸向強(qiáng)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(shù)對(duì)鈦合金進(jìn)行表面改性處理,研究不同條件下改性后的組織結(jié)構(gòu)及其

2、摩擦學(xué)性能。
　　不同能量的碳離子注入到鈦合金后,在其表面檢測(cè)到的元素有C、N、O以及Ti元素。當(dāng)碳元素的注入劑量較高時(shí),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(shí),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(xì)小,呈現(xiàn)出均勻排列、相對(duì)致密的微突起形貌特征,表面沒(méi)有裂紋產(chǎn)生。通

3、過(guò)對(duì)類金剛石薄膜中C1s結(jié)合能譜峰進(jìn)行Guass面積積分?jǐn)M合,發(fā)現(xiàn)制備的類金剛石薄膜中sp3C的含量達(dá)59％。經(jīng)納米力學(xué)測(cè)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(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)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(guò)程中產(chǎn)生犁削,和塑性變形,磨損嚴(yán)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(yán)重。當(dāng)載荷較大時(shí),碳離子注入能量越大,耦合試樣表現(xiàn)出的摩擦學(xué)性能越優(yōu)異。
　　球-窩扭動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)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(gè)過(guò)程,相應(yīng)的扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)也由部分滑移轉(zhuǎn)變成完全滑移。當(dāng)扭動(dòng)微動(dòng)處于部分滑移區(qū)時(shí),接觸面的扭動(dòng)運(yùn)動(dòng)由兩接觸體的彈性變形來(lái)協(xié)調(diào),接觸表面處于粘著狀態(tài),幾乎沒(méi)有相對(duì)滑移,磨損以黏著