生物医用Ti-Sn涂覆层合金的制备及其摩擦性能研究

摘要

新型β钛基形状记忆合金Ti-7.5Nb-4Mo-2Sn由于具有较低的弹性模量、优异的超弹性能、良好的生物相容性和耐腐蚀性，在生物医用植入材料方面具有广泛的应用前景。为了改善该合金表面硬度低、耐磨性能差的问题，本文进行了涂覆层合金成分设计，开发和制备了Ti-xSn系列合金，研究了Sn含量对Ti-Sn合金显微组织和耐磨性能的影响。然后选取性能最优的Ti-Sn合金，以预置薄片的方式通过激光熔覆制备得到Ti-Sn涂层，并对不同扫描速度下表面改性层的组织、硬度、温度场分布、表面耐磨性能等进行了研究。其主要结论如下：
　　（1）从生物医用熔覆层合金设计角度制备了 Ti-xSn系列合金，研究了 Sn含量对Ti-xSn合金显微组织和耐磨性能的影响。结果表明，当合金中Sn含量从6at.％-20at.％变化时，β相含量和合金表面硬度与耐磨性能直接相关联，即β相含量少，硬度高、耐磨性好。其中以Ti-10Sn表面硬度最高，耐磨性能最好。
　　（2）成功在Ti-7.5Nb-4Mo-2Sn合金表面激光熔覆制备Ti-10Sn涂层，基体与涂层获得冶金结合且连接界面无明显孔洞和缺陷，表面硬度和耐磨性能得到明显提高。且基体和涂层的磨损机制不一致，基体的磨损机制为粘着磨损和磨粒磨损共同作用，而涂层的磨损机制为磨粒磨损。
　　（3）研究了扫描速度对涂层性能的影响。结果表明，在功率和光斑一定的情况下，随着扫描速度的增加，冷却速率加快，涂层与基体连接界面的温度降低。基于硬度和耐磨性能研究，得出10mm/s时涂层耐磨性能最好。三种不同扫描速度下得到的涂层磨损机制不同，扫描速度为13mm/s时涂层为粘着磨损与磨粒磨损共同作用机制，10mm/s时为典型的磨粒磨损机制，而7mm/s时表面磨损机制进一步发生了改变，表面出现裂纹，为疲劳磨损。

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第1章 绪论

1.1 生物医用材料

1.2 钛合金及其表面改性

1.3 激光熔覆技术

1.4 熔覆层Ti-Sn合金成分的设计

1.5 本课题的研究意义与研究内容

第2章 实验材料与试验方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

第3章 Sn含量对Ti-Sn合金显微组织与耐磨性能的影响

3.1 引言

3.2 Ti-Sn合金制备及微观性能分析

3.3 Sn含量对Ti-Sn合金的摩擦性能的影响

3.4 基体Ti-7.5Nb-4Mo-2Sn合金与Ti-10Sn性能对比

3.5 本章小结

第4章激光熔覆Ti-10Sn涂层合金制备及其摩擦性能研究

4.1引言

4.2 Ti-7.5Nb-4Mo-2Sn表面激光熔覆Ti-10Sn涂层合金制备

4.3 激光扫描速度对涂层合金摩擦性能研究

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读硕士学位期间的研究成果