微弧氧化后医用Ti6Al4V合金的组织结构和生物与力学性能

摘要

本文分别采用表面纳米化(N)、普通喷丸(S)及超音速轰击(SP)方法在医用Ti6Al4V合金材料(M)表面制备出不同尺度的微坑结构，然后采用微弧氧化法在预处理表面构建不同微坑镶嵌多孔生物陶瓷涂层（N-MAO、S-MAO、SP-MAO涂层）。采用模拟体液(SBF)中浸泡评价不同微坑镶嵌多孔涂层诱导仿生磷灰石生长的能力。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱(EDS)等分析手段研究微弧氧化涂层在SBF浸泡前后、涂层试样疲劳断裂与摩损后表面的显微组织结构，并揭示涂层对生物活性、疲劳与摩擦学性能的影响机制。
　　结果表明：含Ca(H2PO4)2+Ca(CH3COO)2溶液中制备的M-MAO、N-MAO、S-MAO、SP-MAO涂层主要由金红石与锐钛矿TiO2相组成，并含Ca、P化合物；10μm厚涂层与5μm厚涂层相比，涂层中金红石相稍有增多；另外，随涂层厚度增加，M-MAO与N-MAO涂层表面粗糙度增大，而S-MAO与SP-MAO表面粗糙度减小。
　　不同种类微坑多孔涂层浸入SBF中周后出现明显的晶态磷灰石沉积，诱导能力依次为SP-MAO>N-MAO>S-MAO>M-MAO；5μm厚涂层诱导能力好于10μm厚涂层，10μm厚涂层金红石相增多不利于提高生物活性。经NaOH碱处理后不同种类微坑多孔涂层磷灰石诱导能力明显提高，这是由于表面引入的Ti-OH功能团，促进了磷灰石的形核生长；相比较，涂层表比表面大（粗糙度大）的S-MAO与SP-MAO涂层诱导能力强。
　　微弧氧化涂层会降低不同预处理Ti6Al4V合金的疲劳寿命，5μm与10μm厚涂层试样与相应基体相比疲劳寿命降低约为12％和30%。Ti6Al4V合金先纳米化(N)、普通喷丸(S)及超音速轰击(SP)预处理后再微弧氧化可提高涂层试样的疲劳寿命。
　　不同微坑多孔微弧氧化涂层厚度为10μm涂层的耐磨性能明显优于5μm厚涂层。SP-MAO5、SP-MAO10与N-MAO10涂层表现出最好的抗磨性能。涂层可使Ti6Al4V阳极腐蚀电位向正方向偏移，即提高合金在SBF中的化学稳定性和良好的抗腐蚀性能。

目录

微弧氧化后医用Ti6Al4V合金的组织结构和生物与力学性能

MICROSTRUCTURE AND BIOLOIGICAL/MECHANICAL PROPERTIES OF MICROARCAL TI6AL4V ALLOY COATED BY MICROARC OXIDATION

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景与意义

1.2 微弧氧化生物涂层的制备

1.2.1 钛合金的特性

1.2.2 钛合金的生物相容性

1.3 钛合金微弧氧化生物涂层

1.3.1 微弧氧化技术简介

1.3.2 钛合金微弧氧化生物涂层

1.3.3 涂层对金属材料疲劳性能的影响

1.4 微弧氧化生物涂层存在问题

1.5 研究的目的和意义

1.5.1 研究的目的和意义

1.5.2 主要研究内容

第2章 材料与试验方法

2.1 基底材料以及表面处理

2.1.1 基底材料

2.1.2 基底材料的表面微坑构造

2.2 涂层的设计方案及制备工艺

2.2.1 涂层的设计与代号说明

2.2.2 涂层的制备工艺

2.3 涂层的组织结构分析

2.3.1 涂层厚度测试

2.3.2 扫描电镜(SEM)观察

2.3.3 透射电镜(TEM)观察

2.3.4 XRD 物相分析

2.3.5 EDS 分析

2.3.6 显微硬度测试

2.3.7 表面粗糙度测试

2.4 模拟体液的设计与培养

2.5 力学性能测试

2.5.1 疲劳性能测试

2.5.2 滑动摩擦测试方法

2.5.3 涂层抗腐蚀性能测试

第3章 微弧氧化涂层的组织结构与生物活性

3.1 材料表面处理及涂层的组织结构

3.1.1 材料表面处理

3.1.2 涂层的表面形貌

3.1.3 涂层的截面特征

3.1.4 涂层的物相组成

3.1.5 透射电子显微结构特征

3.2 微坑构造微弧氧化涂层对诱导磷灰石的影响

3.2.1 涂层厚度对诱导磷灰石的影响

3.2.2 不同微坑镶嵌涂层结构对诱导磷灰石的影响

3.3 碱热处理后坑构造微弧氧化涂层对诱导磷灰石的影响

3.3.1 碱热处理对诱导磷灰石的影响

3.3.2 不同微坑镶嵌涂层碱热处理后诱导磷灰石的影响

3.4 本章小结

第4章 微弧氧化涂层对Ti6Al4V 合金力学性能影响

4.1 复合涂层对疲劳性能的影响及分析

4.1.1 涂层厚度对基体疲劳性能的影响

4.1.2 不同微坑构造对Ti6Al4V 合金疲劳性能的影响

4.1.3 不同微坑构造微弧氧化后对Ti6Al4V 合金疲劳性能的影响

4.2 复合涂层对摩擦磨损性能影响分析

4.2.1 不同微坑构造对Ti6Al4V 合金摩擦性能的影响

4.2.2 M-MAO 涂层的摩擦性能

4.2.3 N-MAO 涂层的摩擦性能

4.2.4 S-MAO 涂层的摩擦性能

4.2.5 SP-MAO 涂层的摩擦性能

4.2.6 不同涂层摩擦性能的比较分析

4.3 涂层的耐腐蚀性能分析

4.4 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢