Ti/TiB2多层膜的制备及其在Hank's模拟体液中耐蚀性的研究

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TiB2薄膜是一种硬度接近金刚石的超硬陶瓷膜,具有高熔点、高电导率和热导率、耐高温氧化及抗腐蚀性强等一系列优异的理化性能,但其脆性大、难以制备等缺点限制了其广泛应用。本文根据贝壳珍珠层结构的仿生启示,以金属Ti为软层,通过它对脆性大的金属陶瓷TiB2进行过渡层韧化,利用磁控溅射的方法在医用钛合金Ti6Al4V表面制备出Ti/TiB2周期性多层膜。通过X射线衍射仪分析薄膜的相结构,采用扫描电镜观察薄膜的表面形貌和多层结构,采用原子力显微镜分析薄膜表面粗糙度和三维形貌,利用电化学法和全浸试验研究Ti/TiB2多层膜在Hanks模拟体液中的耐腐蚀性能。   研究结果表明,制备参数对TiB2薄膜结构和性能的影响较大。随着工作气压的增大,TiB2薄膜的择优生长取向由(100)向(001)转变;而当衬底温度低于300℃或溅射功率低于60W时,薄膜呈非晶结构。通过引入Ti子层可以在薄膜内部获得多层结构和多晶结构,TiB2在单层膜中以(100)为择优取向,而在多层膜中为(001)择优生长。随着TiB2子层所占厚度比例的增大,多层膜的表面粗糙度有所降低,薄膜变得平整致密。   通过电化学试验发现不同试样的自腐蚀电位变化为,ETi/TiB2>ETiB2>ETi>ETi6Al4V,Ti/TiB2多层膜的自腐蚀电流密度和腐蚀速度到达最低,分别为6.890×10-12A·cm-2和7.716×10-7mm·a-1。这说明通过在Ti6Al4V合金表面生长Ti/TiB2多层膜可有效提高材料在Hanks模拟体液中的耐腐蚀性能。此外,周期数的增加可以显著提高Ti/TiB2多层膜的耐蚀性,当调制比为1∶5时,多层膜的耐蚀性最好。由于Yi/TiB2多层结构增加了内部的相界面,降低了贯穿至基体表面的针孔等缺陷的数量,导致腐蚀介质经过针孔等缺陷与基体接触的机率降低,薄膜的耐蚀性得到改善。研究还发现,Yi膜、TiB2膜和Ti/TiB2多层膜均能明显降低了Al3+的析出,使其释放速率降低。其中以周期数为5、调制比为1∶5的Yi/TiB2多层膜的屏蔽效果最好,与基体材料相比,多层膜的腐蚀速率下降了80%以上。
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