PDF《纯钛与》

第33 卷第2期摩擦学学报Vol

33 No

2 2013 年3月Tribology Mar,2013 纯钛与Ti6Al7Nb 合金氮离子注入层在小牛血清溶液中的扭动微动磨损试验研究朱永奎1,蔡振兵1,

2 , 张广安2,彭金方1,沈明学1,沈火明3,朱昊1(1.

西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室摩擦学研究所,四川成都610031;

2. 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家实验室,甘肃兰州730000;

3. 西南交通大学力学与工程学院,四川成都610031) 摘要:文 中主要研究了纯钛、Ti6Al7Nb 基体以及经过氮离子注入后的改性层的扭动微动磨损行为.氮离子注入采用高能离子注入机及增强沉积系统,加速电压为50 kV, 注入剂量分别为1*1017 、

5 *

1017 和9*1017 cm -

2 . 采用球/平面接触模式,对纯钛和Ti6Al7Nb 合金/(Zr2 O 球(直径为25.

2 mm) , 接触副在小牛血清介质条件下进行了纯钛和Ti6Al7Nb 合金及其改性层的了扭动微动磨损试验.借助X衍射仪(XRD) 、 拉曼光谱(Raman) 、 三维形貌仪(3D)和扫描电镜(SEM) 分析了两种材料及其改性层的化学成分、微动磨损磨痕形貌和微观组织结构,探 讨了纯钛和Ti6Al7Nb 合金基材和改性层的扭动微动运行行为和损伤机制.研究结果表明:用氮离子注入方法处理钛及其合金,生成的氮化物层能够改善材料表面的综合性能,提高其扭动微动磨损的耐磨性.纯钛和Ti6Al7Nb 基体的磨损现象为氧化和剥落,其离子注入层的磨损现象为犁沟.关键词:离 子注入;

扭动微动;

摩擦磨损中图分类号:TH117.

3 文献标志码:A文章编号:1004 - 0595( 2013)

02 -

0196 -

06 Comparison on the Torsional Fretting Wear of Nitrogen Ion Implanted Pure Titanium and Ti6Al7Nb Alloys in Bovine Serum ZHU Yong - kui1 , CAI Zhen - bing1,

2 ,ZHANG Guang - an2 ,PENG Jin - fang1 , SHEN Ming - xue1 , SHEN Huo - ming3 , ZHU Min - hao1 ( 1. Key Lab of Advanced Technologies of Materials ( Ministry of Education) ,Tribology Research Institute, Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China 2. State Key Laboratory of Solid Lubrication, LanZhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,LanZhou 730000,China 3. School of Mechanics and Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China) Abstract:Pure titanium and Ti6Al7Nb alloys alloys were implanted by

50 keV N + ions with different implanting dosage in high energy ion implantation and enhanced deposition system. Torsional fretting wear of un - treated and plasma implantation nitride titanium alloys flats against ZrO2 ball ( with a diameter of 25.

2 mm)were carried out under a simulated physiological condition. With analyses of the frictional kinetics behaviors,the X - ray diffraction,Raman spectroscopy,3 - D profiler, Received

28 June 2012, revised

4 September 2012, accepted

10 October 2012, available online

28 March 2013. Corresponding author. E - mail:caizb@ swjtu. edu. cn,Tel:+

86 -

28 - 87600601. The project was supported by the National Natural Science Foundation of China( 51005192,11172250) ,doctoral Fund of Ministry ( 20100184120002) , The Open Foundation of State Key Laboratory of Solid Lubrication( 0903) . 国家自然科学基金项目(51005192,11172250) , 教育部博士点基金(20100184120002) , 固体润滑国家重点实验室2009 年度开放基金(0903) 资助.SEM morphologies,the damage characteristics of the surface modification layer and its substrate were discussed in detail. The results show that the plasma implantation nitride can improve its surface properties and the resistance of torsional fretting wear can be improved obviously. The wear mechanism of the pure titanium and Ti6Al7Nb were oxidation wear and delaminlation,the ploughing of the modification layers. Key words:torsional fretting, fretting wear,ion implantation 钛及其合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、良好的生物相容性等优异的综合性能,成为人造骨骼,牙科、外科植入体的首选材料[1-4]. 长期的临床应用表明钛合金材料耐磨性差,表面氧化膜在接触摩擦中容易发生剥落,剥落下来的氧化物又加速了关节表面的磨粒磨损[4-5]. 在人工关节中,摩擦过程产生的大量金属粒子聚集在关节附近会污染周围组织,引发不良生化反应,导致疼痛和功能障碍,诱发假体周围骨溶解,破坏金属假体的支撑结构,影响人体内钛合金植入物的服役年限和应用效果[6-7]. 钛合金表面离子注入氮,可以提高其表面硬度,改变钛合金近表面的晶格,使摩擦系数降低,耐磨性能提高[8-9]. 人体植入件中存在大量的微动问题[10 - 14], 目前微动摩擦学的研究主要集中于切向模式,对其他运动方式下材料的磨损机理研究较少[15 - 16]. 离子注入氮最早应用在人工关节上,但是临床证明这层氮化钛耐磨层虽然硬度很高、耐磨性很强,因为太薄,经不起人体内20 年以上的耐磨寿命需求,只能放弃,后续研究集中于高分子材料和陶瓷[17]. 本文基于一种典型的扭动微动实例-人工义齿种植体端部在体液中发生扭动微动,研究其典型材料的离子注入层的抗扭动微动磨损行为.1实验部分1.