金屬表面納米結構陶瓷的制備及其摩擦學性能.pdf

1、鈦及鈦合金由于其具有良好的生物相容性而成為骨組織常用的植入物之一，目前各類研究者在鈦及鈦合金的表面改性方向投入了大量的研發和設計工作。由于鈦及鈦合金的摩擦因素大，耐磨性較差，對微動磨損與粘著磨損敏感高，使其在使用壽命上大大降低，而當今傳統的鈦表面改性方法只能形成數微米至十幾微米的薄膜，這樣的薄膜顯然無法滿足某些使用要求，因此就需要尋求更好的方法來提高鈦表面的耐磨性。鋼鐵材料的表面改性方法眾多且成熟，如果將已應用在傳統鋼鐵材料的改性方法運

2、用在鈦及鈦合金上，結合鈦及鈦合金的自身特點，研究新型的表面改性方法，進一步提高鈦表面膜的厚度與強度，則能在很大程度上提高鈦的耐磨性。本文采用鈦熱浸鍍鋁和陽極氧化的工藝方法相結合，在鈦表面形成一層納米氧化鋁陶瓷層，研究其前后的耐磨性差異。
　　通過鈦熱浸鍍鋁在鈦表面浸鍍鋁層，控制浸鍍時間(3min、4min、5min、7min、10min)可制得不同厚度的鍍層。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測試樣表面形貌，發現表面鍍層均一、連續，對

3、試樣斷面進行觀測得到鍍層厚度(15μm、21μm、28μm、43μm、86μm)，發現隨著浸鍍時間的增加鍍層厚度增大。并利用X射線衍射儀、臺階儀、接觸角測試儀、硬度儀及萬能試驗機等分析了試樣表面成分與晶體結構、表面粗糙度、表面能、表面硬度及鍍層與基體結合強度等。結果表明鍍層粗糙度明顯增大，其親水性無明顯變化，結合強度達到40MPa，顯示出了鋁鍍層與基體的良好結合能力。
　　選取鍍層最厚的樣品進行陽極氧化工藝，分別采用硫酸體系、草酸

4、體系和磷酸體系陽極氧化。對于不同的電解質，分別采取不同的電壓進行陽極氧化，即18V、40V和60V，采用SEM觀測各試樣表面形貌，發現得到的納米孔平均直徑分別為10nm、30nm及80nm。通過對氧化層的粗糙度及接觸角分析，發現隨著納米孔徑的增大，粗糙度及親水性展現了上升的情況，顯微硬度和納米硬度增大較明顯，體現了氧化鋁納米孔層的硬度特性，氧化鋁納米孔層與底材的結合強度由于多孔性的存在而降低。
　　對熱浸鍍鋁試樣與陽極氧化試樣進行

5、摩擦試驗，熱浸鍍鋁試樣為最厚鍍層的樣品，而陽極氧化試樣則選擇草酸體系陽極氧化得到的試樣。在室溫條件下，以GCr15軸承鋼球作為摩擦副與試樣平面接觸進行往復式對磨，所加載荷為10N，分別在干摩擦以及模擬人體體液的生理鹽水條件下進行。結果顯示經過熱浸鍍鋁和陽極氧化的試樣其摩擦系數都降低了，表明熱浸鍍鋁和陽極氧化試樣都能夠改善鈦材料的耐磨性，其中陽極氧化鋁層和其硬顆粒磨屑阻止了鋼球與基體的直接接觸和粘著磨損，能夠更明顯地提高鈦的耐磨性能，且陽