论文部分内容阅读
Ti13Nb13Zr合金是具有高强度、高韧性、高的疲劳强度及良好的生物相容性的生物钛合金。Ti13Nb13Zr合金的表面硬度比较低,耐磨性差,制约了其在人工关节中的广泛的应用。高温下,氧比较容易固溶于钛合金中,形成钛的氧化物,起到固溶强化的作用,因此,可以利用热氧化技术对Ti13Nb13Zr合金进行钛合金的表面改性。本文对Ti13Nb13Zr合金的热氧化行为进行研究,测试分析了Ti13Nb13Zr合金经热氧化后的表面成分、表面形貌、力学性能、耐腐蚀性能、表面润湿性及生物摩擦学性能,综合评价Ti13Nb13Zr合金热氧化后的表面性能。研究发现,经热氧化处理后,Ti13Nb13Zr合金表面生成了成分主要为硬度及耐磨性比较好的金红石型Ti O2热氧化层。随着热氧化温度的增加,表面热氧化层厚度增加幅度显著,由2.19μm增加到288.50μm,Ti13Nb13Zr合金的表面硬度得到很大提高,在热氧化温度为900℃时,该合金的硬度达1038 HV,是未经热氧化处理的Ti13Nb13Zr合金的4.47倍。随着氧体积含量的增加,Ti13Nb13Zr合金的热氧化层厚度变化幅度不大,保持在40.52~51.72μm之间,Ti13Nb13Zr合金的表面硬度也得到提高,在氧体积含量为40%时,合金的表面硬度达到最大值为1038 HV。随热氧化时间的增加,Ti13Nb13Zr合金的表面硬度均保持在1000 HV左右。经热氧化处理后,Ti13Nb13Zr合金的表面纳米硬度也有很大改善,在经800℃热氧化处理后,合金的纳米硬度为16.37 GPa,提高了3.76倍。Ti13Nb13Zr合金在2 h到10 h之间的氧化增重曲线符合直线氧化动力学规律,氧化层的生长速度与时间成正比,氧化速度比较快。热氧化温度分别为700℃、800℃、900℃、1000℃热氧化处理的Ti13Nb13Zr合金的热氧化速率常数分别为:0.222 mg2·cm-4·h-1,0.488 mg2·cm-4·h-1,48.003 mg2·cm-4·h-1,664.914mg2·cm-4·h-1。随着温度的增加,Ti13Nb13Zr合金的热氧化速率常数增加,Ti13Nb13Zr合金抗氧化能力减小,被氧化的程度增大。经热氧化处理后,Ti13Nb13Zr合金的接触角均有下降,粘附功降低,热氧化后的Ti13Nb13Zr合金润湿性能均有得到改善。其中,热氧化时间为4 h,温度为900℃,氧体积含量为40%热氧化处理的Ti13Nb13Zr合金的表面润湿角为68.50°,最接近细胞粘附的最优润湿角70°。同时,Ti13Nb13Zr合金经热氧化处理后的耐腐蚀性得到了明显的提高,其中热氧化条件为温度为900℃,氧体积含量为40%处理的Ti13Nb13Zr合金的自腐蚀电位为-0.1902 V,自腐蚀电流为1.658×10-9 A/cm2,腐蚀深度是0.14×10-4 mm/a,耐腐蚀性能最佳。Ti13Nb13Zr合金的生物摩擦学试验中还发现,Ti13Nb13Zr合金经过热氧化处理表面生成的金红石型Ti O2提高了该合金的耐磨性,对该合金在人工关节领域的应用有极大的帮助。