钛合金表面铜铬合金层组织性能研究

摘要

钛作为比强度、比刚度高，抗腐蚀性能以及高温力学性能、抗疲劳性能很好的新兴的金属材料，具有优良的综合性能，对经济和社会发展具有重要意义。在航空航天、船舶工业以及体育器材等领域有着广泛应用;同时，医疗卫生以及食品加工行业钛合金运用也极具前景，且随着生活水平的提高，人民更加需要具有抗菌性能的钛合金材料。
　　本实验选择钛合金(Ti-6Al-4V)作为基材，并对其表面进行Cu、Cr合金化处理，以此来获得抗菌钛合金。对合金层抗菌性能进行测试的同时检测其耐磨性;采用X射线衍射仪(XRD)对合金层表面进行物相结构分析;采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对合金层表面与渗层截面的结构形貌进行分析;采用能谱仪(EDS)对合金层表面与渗层截面进行元素成分分析;采用浸泡法检测基材钛合金和合金化钛合金分别在0.5 mol/L NaCl溶液、0.5mol/L柠檬酸溶液以及0.5 mol/L的NaHCO3溶液中的耐腐蚀性能;采用超景深显微镜检测磨损样的划痕深度。为得到满足使用要求的合金层，对合金层表面进行抗菌性、耐磨性以及耐蚀性研究，并对其抗菌机理、耐磨机理以及其组织进行探讨。主要研究成果如下:
　　(1) TC4表面形成的CuCr合金层，呈粗糙的颗粒状，与基体有明显界线;相组成主要为Ti，Cr2Ti，CuTi2; Cu-Cr比为5∶5的合金层厚度约12μm，其表面Cr含量为14.1wt％左右，Cu含量为12.3wt％左右;Cu-Cr比为7∶3的合金层厚度约为40μm，其表面Cr含量为5.9wt％左右，Cu含量为16.6wt％左右，其合金层显微组织中存在细小的针状组织，并在该组织周边存在明显的裂纹。
　　(2) TC4表面形成的CuCr合金层，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出优异的抗菌性能，抗菌率均达到100％。Cu元素的抗菌机理，主要体现在3个方面:A.电场吸附作用杀菌;B.金属离子穿透细胞壁，破坏细胞合成酶杀菌;C.催化作用杀菌。
　　(3)对TC4表面形成的CuCr合金层进行显微硬度及摩擦磨损检测，CuCr比为5∶5制备得的合金层的表面硬度为3020.84gf/mm2，表面磨痕深度为7.81μm; CuCr比为7∶3制备得的合金层表面硬度为3043.32gf/mm2，表面磨痕深度为21.15μm;基材表面硬度为2181.44gf/mm2，表面磨痕深度为22.47μm。表明CuCr合金化使TC4表面耐磨性提高，靶材Cu∶Cr为5∶5时，合金层表面耐磨性最好。
　　(4) TC4表面形成的CuCr合金层，在0.5 mol/L NaCl溶液中及0.5mol/L柠檬酸中的耐腐蚀性均较TC4基材有一定程度的降低，但仍保持着很好的耐蚀性，且靶材Cu∶Cr为5∶5制备的合金层的耐蚀性要明显好于CuCr比为7∶3制备得的合金层;在0.5 mol/L NaHCO3溶液中，CuCr合金层耐腐蚀性较TC4基材有一定程度的提高，且靶材Cu∶Cr为5∶5制备的合金层的耐蚀性要明显好于CuCr比为7∶3制备得的合金层。
　　(5)对不同CuCr比形成的TC4合金层进行显微组织分析发现，靶材Cu∶Cr为7∶3时，制备的合金层中生成针状的马氏体(α')组织，其周边存在明显的裂纹，导致摩擦磨损实验时，试样表面出现脱落，严重影响合金层的耐磨性能。在本实验条件下，靶材Cu∶Cr为5∶5制得的TC4合金层在组织结构和性能方面均优于前者，适合在医疗卫生以及食品加工等方面得到广泛的应用。

目录

声明

摘要

文献综述

1．1 引言

1．2 钛及钛合金

1．2．1 钛的基本性质

1．2．2 钛合金的分类

1．3 钛合金的应用

1．3．1 航空航天用钛

1．3．2 体育用品用钛

1．3．3 船舶行业用钛

1．3．4 医疗以及食品加工器械用钛

1．4 钛合金的研究现状

1．4．1 国外钛合金研究现状

1．4．2 国内钛合金研究现状

1．5 钛合金的表面处理

1．6 双层辉光等离子体合金化技术

1．6．1 等离子合金化原理

1．6．2 等离子体合金化设备

1．6．3 预渗金属的选择

1．7 铜、铬简介

1．7．1 铜

1．7．2 铬

1．8 课题的提出及研究意义

第二章 CuCr合金层的制备与表征

2．1 合金层的制备

2．1．1 实验设备

2．1．2 实验材料

2．1．3 实验步骤

2．2 合金层的表征

2．2．1 合金层表面形貌与物相分析

2．2．2 合金层截面形貌与成分分析

2．3 小结

第三章 CuCr合金层抗菌性能研究

3．1 实验设备与方法

3．1．1 实验菌种选择

3．1．2 实验方法设备

3．2 实验结果

3．2．1 大肠杆菌实验

3．2．2 金黄色葡萄球菌实验

3．3 抗菌机理讨论

3．4 小结

第四章 CuCr合金层耐磨性研究

4．1 引言

4．2 实验设备及方法

4．2．1 实验设备

4．2．2 实验参数

4．3 实验结果分析

4．3．1 合金层的摩擦学性能

4．3．2 合金层表面硬度

4．4 小结

第五章 CuCr合金层耐蚀性能研究

5．1 引言

5．2 实验设备及方法

5．2．1 实验设备及原理

5．2．2 实验方法及实验参数

5．3 实验结果分析

5．3．1 NaCl溶液电化学测试结果分析

5．3．2 柠檬酸溶液中电化学测试结果分析

5．3．3 NaHCO3溶液中电化学测试结果分析

5．4 小结

第六章 铜铬合金层表面组织研究

6．1 合金层组织结构及形貌

6．2 2#样合金层中马氏体形成机理

6．3 小结

第七章 结论

参考文献

致谢

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