Ti6Al4V合金表面改性层的生物学耐蚀抗磨性能研究

来源 :西南林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:allen_liliang
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为了提高Ti6Al4V基体表层的生物学耐蚀抗磨性能,本文以Ti6Al4V为基体材料,采用喷丸强化技术及阳极氧化工艺相结合的方式制得TiO2纳米管。使用TTR18kW铜靶X射线衍射仪对喷丸试样进行物相分析,利用JSM-7200F型扫描电子显微镜(SEM)观察喷丸表面的形貌和组织结构,应用密度泛函理论(DFT),基于第一性原理VASP软件模拟出喷丸产生的空位对扩散系数的影响。选用电子显微镜观察阳极氧化纳米管的微观结构及形貌,用X射线光电子能谱(XPS)测定分析不同试样的纳米管的元素价态组成,应用Flex-Axiom型原子力显微镜(AFM)观察并分析纳米管的管长,采用OM像与拉曼光谱(Raman spectrum)分析纳米管的结晶性能。利用电化学工作站测量TiO2纳米管的耐蚀性能,使用MRTR多功能摩擦磨损试验机测试TiO2纳米管的抗磨性能。在此基础上,主要研究成果如下:1)喷丸处理使得基体表面晶粒被不断细化,随着喷丸直径的减小,喷丸表面的塑性变形加剧,喷丸显著地提高了Ti6Al4V表面的残余压应力值,经6 mm直径喷丸处理试样的表面应力达到了65.3 MPa,为未喷丸试样(10.17 MPa)的5.9倍。喷丸处理产生的残余压应力有效地提高了表面标准摩尔生成焓、摩尔熵和吉布斯自由能,随着表面残余压应力的增加,标准摩尔生成Gibbs自由能从0.001 kJ?mol-1增到0.44 kJ?mol-1,表面标准摩尔生成焓从28.71 kJ?mol-1增到64.90kJ?mol-1,表面标准摩尔熵分从0.001 JK-1mol-1增到11.78 JK-1mol-1。基于第一性原理VASP软件模拟出0个空位与1个空位结构对O原子在Ti元素表面的扩散机制,得出扩散系数从5.31×exp(-55)增到3.10×exp(-47)。2)阳极氧化电位的增加能够促进TiO2纳米管的生长,随着阳极氧化电位从10 V增加到70 V,基体表面的TiO2纳米管平均外径大约从66.3增加到112.7 nm,最大增幅达69.99%;其壁厚大约从7.07增加到14.7 nm,最大增幅为107.20%;其管深从345.16增至774.88 nm,最大增幅达到124.5%;自腐蚀电位从-1.40 V增至-0.5 V,最大增幅达1.8倍;自腐蚀电流密度从9.65降到3.55 A.cm-2,自腐蚀电流密度最大降幅达1.72倍;载流子体密度从1.03×1024减到5.21×1023 cm-3,最大降幅达0.98倍。在人工唾液润滑条件下,摩擦系数从0.46降到0.30,摩擦系数降幅达到34.78%。在透明质酸钠纯净水溶液润滑条件下,摩擦系数从0.45降到0.29,降幅达到35.55%。这说明阳极氧化电位能够提高TiO2纳米管的管长与管径,从而提高其耐蚀抗磨性能。3)通过进一步研究喷丸与阳极氧化二者相结合制得TiO2纳米管的各项性能指标,可得到喷丸试样相较于未喷丸试样的性能均得到不同程度地提高,其外径分别增加了51.2 nm、57.8 nm、77.4 nm和63.8 nm;其壁厚分别增加了6 nm、7.4 nm、5 nm和3.8 nm;其管深分别增加了241.35 nm、373.49 nm、328.27 nm和375.12 nm;其自腐蚀电位增加了0.6、0.58、0.09和0.09V,增幅分别达到42.86%、49.15%、13.85%和18%;其自腐蚀电流密度降低了3.31、2.92、0.56和0.42 A.cm-2,降幅分别达到34.30%、35.92%、13.50%和11.83%;其极化电阻增加了298.24、478.54、211和318.22Ω.cm2,增幅分别达到39.71%、54.60%、10.81%和14.46%,可以看出喷丸使得TiO2纳米管的管长与管径均得到生长,从而使得其耐腐蚀性能得以提升。在人工唾液润滑条件下摩擦系数分别减小了0.05、0.03、0.01和0.01,其降幅分别达到10.87%、7.31%、2.86%和3.33%。在透明质酸钠纯净水溶液润滑条件下,其试样的摩擦系数分别减小了0.05、0.04、0.04和0.01,其降幅分别达到10.87%、7.31%、2.86%和3.33%,这说明喷丸使得TiO2纳米管的抗磨性能得以提升。因此,采用喷丸与阳极氧化工艺相结合的方式制得的TiO2纳米管,其管径与管长相较于单一阳极氧化都得到不同程度的提高,从而其抗磨与耐蚀性能得到有效改善。
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