TLM钛合金表面等离子Mo合金层的制备及其摩擦磨损性能研究

摘要

新型β钛合金具有比强度高、耐蚀性强、机加工性能好等普通钛合金有的优点，更重要的是其具有与骨组织相接近的弹性模量，因此近年来逐渐成为一种有前景的医用植入体材料。但钛合金表面硬度低，承载能力差，在滑动摩擦过程中易产生粘附现象，聚集的金属磨屑可能引发炎症，最终导致种植失败。表面改性技术是提高其耐磨性的有效途径之一。基于一定的理论基础和前人的研究成果，本文采用双辉等离子表面合金化技术在β型钛合金TLM表面制备Mo改性层，以期达到提高其摩擦磨损性能的目的。研究分析三种工艺温度（900℃，950℃，1000℃）下合金层的形貌、成分、表面硬度和润湿性等基本性能，并对比讨论渗Mo处理前后试样在不同载荷（5 N、8 N）和不同介质（大气、模拟人工体液、模拟人工唾液）中与A12O3陶瓷球对磨时的摩擦学性能。主要研究结果如下：
　　（1）采用双辉等离子合金化技术在TLM钛合金表面成功制备出Mo改性层。合金化试样表面变得粗糙，呈高低起伏的金字塔状。改性层中Mo元素沿深度方向呈梯度分布。改性层主要由Mo相组成，同时具有良好的表面润湿性。随着工艺温度的升高，制备的改性层厚度增大。不同温度下制备的改性层的表面显微硬度较基体均有很大提高，并具有载荷依存性。
　　（2）在相同摩擦条件下，与基体相比，Mo合金化试样的摩擦系数和比磨损率均较低，起到一定的减磨和耐磨作用。在大气介质和模拟人工体液中，合金化试样的耐磨性随着工艺温度的升高而增强，而在模拟人工唾液中，900℃和950℃两种工艺温度下试样的耐磨性却优于1000℃试样。
　　（3）当载荷发生变化时，TLM基体的比磨损率比Mo合金化试样变化大，说明载荷对基体的耐磨性影响较大，对合金化试样影响较小。
　　（4）与大气介质中的摩擦磨损相比，两种模拟溶液中的摩擦由于受到液体的润滑作用，摩擦系数较低且稳定。此外，溶液能将摩擦过程中产生的磨屑及时冲刷掉，减轻了磨粒磨损和粘着磨损的程度。润滑和冲刷两者的共同作用使得材料在两种模拟溶液中具有较好的摩擦磨损性能。