医用NiTi形状记忆合金表面类金刚石薄膜的生物摩擦磨损性能研究

利用脉冲电弧离子镀在医用NiTi形状记忆合金基底上沉积无氢类金刚石（DLC）薄膜，采用Raman光谱分析薄膜的微观结构，在UMT-2MT型摩擦磨损试验机上考察了薄膜的体外生物摩擦磨损特性．结果表明：所制备的类金刚石碳薄膜为四面体非晶碳薄膜，具有典型的类金刚石结构特征；在干摩擦及0．9％NaCl溶液和Hank’s溶液润滑条件下，DLC薄膜显示出良好的抗磨减摩性能；在NiTi合金表面沉积DLC薄膜以提高其生物相容性是可行的。     

骨科固定用镍钛形状记忆合金的摩擦磨损性能研究

采用SRV摩擦磨损试验机考察了GCr15钢对常用骨科手术用固定材料--NiTi形状记忆合金在干摩擦及润滑油和人工关节液润滑下的摩擦磨损性能,同时考察了热处理对NiTi形状记忆合金摩擦磨损性能的影响;采用扫描电子显微镜观察NiTi形状记忆合金磨损表面形貌,并利用示差热分析(DSC)确定了NiTi合金的相变温度.结果表明:经过热处理的NiTi合金的形状记忆相变温度与人体体温接近,但热处理使NiTi合金的抗磨性能下降; NiTi合金在摩擦过程中受摩擦热的影响发生相转变,使其抗磨性能提高.相对于医用人工关节润滑液及其它润滑油而言,双酯作为GCr15/NiTi合金的润滑剂表现出更好的减摩和抗磨能力.     

相变温度对NiTi形状记忆合金耐磨性的影响

利用WMW-1型摩擦磨损试验机研究了在相同条件下相变温度对6种NiTi形状记忆合金耐磨性的影响,并分析其磨损机制.结果表明:超弹状态NiTi合金具有热弹性马氏体相变、高阻尼效应、应力诱发马氏体和超弹性等特性而使得其耐磨性较好,合金的耐磨性主要取决于相变温度、Ni原子的析出情况和合金硬度.     

磁过滤阴极弧制备类金刚石膜的疲劳性能及摩擦磨损性能研究

利用离面双弯曲磁过滤阴极真空弧沉积系统,在单晶硅片上制备类金刚石薄膜.采用原子力显微镜观察薄膜表面形貌,采用激光拉曼光谱仪对薄膜的结构进行分析,采用多功能纳米力学性能测试仪测定薄膜的硬度、弹性模量及耐疲劳性能,采用微摩擦磨损试验机考察薄膜的摩擦磨损性能.结果表明:所制备的类金刚石薄膜表面光滑致密,硬度较高;镀膜参数中基体脉冲偏压占空比对薄膜的结构与性能有一定影响.     

脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积TiN和TiCN薄膜摩擦磨损特性研究

对比研究了脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积TiN和TiCN薄膜的摩擦磨损特性，用扫描电子显微镜、X射线衍射仪及销-盘摩擦磨损试验机分析薄膜形貌和结合力，考察了不同沉积条件下2种薄膜的摩擦磨损过程及其影响因素．结果表明，TiCN薄膜具有较高硬度、良好的膜基结合力，相对于TiN薄膜而言表现出更低的摩擦系数和更好的耐磨性能．在实际使用中应注重成分和结构优化设计，以保证薄膜具有良优良的减摩性能．     

激光织构化TiN薄膜的干摩擦性能研究

采用固体Nd:YAG激光器对离子镀TiN薄膜进行织构化处理,表征了薄膜的结构、形貌及凹坑织构参数.通过UMT-2往复式球-盘摩擦磨损试验机评价了织构化薄膜的摩擦磨损特性,研究了织构形貌对TiN薄膜干摩擦条件下摩擦磨损性能的影响.研究结果表明:与未织构化的TiN薄膜相比,织构化TiN薄膜的平均摩擦系数降低,并且磨损率明显减小,这说明织构化TiN薄膜具有更好的耐磨损性能.摩擦过程中,凹坑织构既捕获了磨屑,又有利于摩擦过程中阶跃运动的发生,易于将磨屑带出磨痕,从而降低了摩擦磨损.     

热处理对NiTi形状记忆合金冲蚀磨损性能的影响

采用自制浆罐式砂水冲蚀磨损试验装置研究了4种经不同条件热处理的NiTi合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢的冲蚀磨损性能;采用XL-30型扫描电子显微镜观察试样的冲蚀磨损表面形貌;采用MH-6型显微硬度计测量NiTi合金硬度;采用自制拉伸装置测量NiTi合金的力学性能.结果表明:5种试样的冲蚀磨损量随着冲蚀时间、冲蚀速度、砂水比及砂粒度的增加而增大,4种NiTi合金的耐冲蚀性能相近,均明显优于1Cr18Ni9Ti不锈钢,其中试样NiTi-3和NiTi-1表现出较好的耐冲蚀性能;硬度并非NiTi合金冲蚀磨损性能的决定因素,超弹性和超塑性是NiTi合金具有较好耐冲蚀性的主要原因,热处理使得NiTi合金的超弹性变形量减小,但增加了NiTi合金的塑性变形量;合金丝磨损表面不同部位的磨损机理不同,中部为典型的变形磨损,侧面为微切削磨损,5种试样均表现为典型的韧性材料冲蚀磨损特征.     

磁过滤真空弧源沉积技术制备C/C多层类金刚石膜及其摩擦磨损性能研究

采用磁过滤直流阴极真空弧源沉积技术在Si基体和GCr15基体表面制备了C/C多层DLC膜,通过X射线光电子能谱仪分析薄膜结构特征;用原子力显微镜观察C/C多层DLC膜的表面形貌;采用台阶仪测试薄膜厚度;利用纳米硬度仪测试薄膜纳米硬度;在销盘式摩擦磨损试验机上进行C/C多层DLC膜在大气下的摩擦性能评价,同时比较了单层DLC膜、TiN膜和C/C多层DLC膜的耐磨性能.结果表明:C/C多层DLC膜表面光滑、致密,厚度达0.7 μm,硬度高达68 GPa,与SiC球对摩时的摩擦系数为0.10左右,耐磨性明显优于单层DLC膜和TiN膜.     

Cr12MoV钢表面磁控溅射Ti/TiN涂层的摩擦磨损性能研究

采用非平衡磁控溅射方法在Cr12MoV钢表面制备了厚度约为3 μm的Ti/TiN涂层,测定了涂层的显微硬度,并通过划痕试验和摩擦磨损试验考察了涂层同基体的结合强度及其摩擦磨损性能.结果表明:Ti/TiN涂层能够显著提高Cr12MoV钢的表面硬度和承载能力;涂层同Cr12MoV钢基体的结合强度较高,划痕临界载荷高于60 N;与此同时,磁控溅射Ti/TiN涂层可以显著改善Cr12MoV钢的耐磨性能.这是由于磁控溅射Ti/TiN涂层硬度高且与Cr12MoV钢基体的结合强度较高所致.     

钛合金表面类金刚石碳梯度薄膜的摩擦磨损性能研究

与Ti6Al4V合金／超高分子量聚乙烯摩擦副对比,考察了Ti6Al4V合金表面类金刚石碳梯度薄膜／超高分子量聚乙烯摩擦副在干摩擦以及Hank’s溶液和生理盐水润滑下的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜观察试样磨损表面形貌,并进而分析磨损机理。结果表明,类金刚石碳梯度薄膜具有良好的减摩抗磨性能,其体积磨损率约为相同条件下Ti6Al4V合金体积磨损率的50％,相应的超高分子量聚乙烯偶件的磨损率亦较低,类金刚石碳梯度薄膜的磨损呈现轻微磨粒磨损特征,而超高分子量聚乙烯可抑制类金刚石碳梯度薄膜的磨粒磨损。     

原位反应合成金属间化合物激光合金化层的组织及抗磨性能

以近等原子比的NiTi合金粉末为原料,利用连续波高功率Nd-YAG激光器在6061Al合金表面制备了Ni-Al和Ti-Al金属间化合物改性层,采用扫描电子显微镜、X射线能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计及摩擦磨损试验机分析了合金化层的组织形貌、结构、成分、硬度分布及磨损性能.研究结果表明,该激光表面改性层主要由Ni3Al和TiAl3金属间化合物组成;采用合适的保护措施和激光处理工艺参数,可控制改性层产生孔洞和裂纹倾向,从而获得与基体具有良好冶金结合的致密金属间化合物合金激光改性层;与此同时,Ni-Al和Ti-Al金属间化合物改性层可有效地改善铝合金的抗磨性能.     

过热处理对Al—Si过共晶合金耐磨性能的影响

考察了过热处理对Ａｌ－Ｓｉ过共晶合金磨损性能的影响。结果表明,过热处理可以改善材料的耐磨性,尤其是高载荷下的耐磨性;并且过热处理温度越高,材料的耐磨性越好。其原因在行组织中的初生硅粒子受粒触应力的作用时,易破碎而形成裂纹和孔洞,从而降低材料的磨损性能。组织中的初生硅越细小且分布越弥散,基体的强度越高,材料的耐磨性越好。     

强流脉冲电子束表面改性Al-Pb合金的摩擦磨损行为研究

利用强流脉冲电子束技术对Al-Pb合金进行表面改性处理,测试改性试样表面硬度分布及其形貌和组织,采用销-盘式摩擦磨损试验机、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪对改性Al-Pb合金的摩擦磨损性能及其磨损机理进行分析.结果表明:改性Al-Pb合金的组织结构得到改善,最大硬度出现在距合金表面约40 μm的亚表层;由熔化区、热影响和准静态热应力影响重叠区和过渡区组成,改性层表现出良好的耐磨性;在高载荷下改性合金表现出的低磨损率和摩擦系数与其磨损表面形成的润滑膜密切相关;随着载荷增加,其磨损机制主要表现为氧化磨损和粘着磨损.     

TiSiN/Ag纳米多层涂层海水环境磨蚀性能研究

本文中采用多弧离子镀系统在Ti-6Al-4V合金(TC4)上沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层. 使用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描型电子显微镜(SEM)表征涂层的成分和结构，并使用纳米压痕测试其硬度. 用Rtec MFT500摩擦磨损试验机对涂层在海水环境中的摩擦磨损性能进行测试. 结果表明:涂层具有致密的结构和清晰的多层界面，TiSiN层与Ag层交替沉积，涂层中包含TiN、Ag和Si₃N₄相，非晶Si₃N₄包裹纳米晶TiN. 相比TC4合金基体，沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层后，摩擦系数在大气环境和海水环境均能下降0.15以上，磨损率降低两个数量级. 人工海水中摩擦状态下材料出现腐蚀摩擦交互作用，主要损耗形式为腐蚀对磨损的促进，TiSiN/Ag纳米多层涂层的耐磨蚀性能远优于基体材料.      

几种铝锡硅铜合金的摩擦磨损特性

采用环－块摩擦磨损试验机，考察了含Ｓｉ质量分数为１％～５％的Ａｌ－２０Ｓｎ－Ｓｉ－１Ｃｕ合金及传统的Ａｌ－２０Ｓｎ－１Ｃｕ合金的摩擦磨损性能．结果表明：几种Ａｌ－２０Ｓｎ－Ｓｉ－１Ｃｕ合金的磨损率低于Ａｌ－２０Ｓｎ－１Ｃｕ合金的磨损率，并且随Ｓｉ含量的增加而降低．干摩擦时，摩擦因数随Ｓｉ含量的增加无明显变化；油润滑时摩擦因数则随Ｓｉ含量的增加而略微减小．两类合金的摩擦因数均随滑动速度的增加而减小，随摩擦时间的增加先增加后减小并趋于稳定．磨损表面的ＳＥＭ分析表明：Ａｌ－２０Ｓｎ－Ｓｉ－１Ｃｕ合金在干摩擦下的磨损机制主要是磨粒磨损和氧化磨损，而Ａｌ－２０Ｓｎ－１Ｃｕ合金则包括粘着、疲劳及磨粒磨损等多种形式．在油润滑下，两者的磨损机理则分别为犁削作用和疲劳磨损及分层磨损．     

热挤压态Al—Si—Pb轴承合金的摩擦学行为

研究了热挤压对搅拌铸造 Al- Si- Pb合金组织与机械性能的影响 .结果表明 :热挤压可以显著改善合金铸态组织 ,降低气孔率 ,提高机械性能 ;随着铅含量增加 ,合金的摩擦系数与磨损率显著下降 ,尤其铅含量为 2 0 %与 2 5 %的合金抗咬合性能明显提高 .对其磨损表面的光学与 X射线光电子能谱分析表明 ,磨损表面了形成由 Al2 O3、Fe2 O3和 Pb的化合物组成的混合物润滑膜 ,这是其抗咬合性能得以改善的直接原因 .     

钛合金表面DLC薄膜的制备及其与不同材料配副的摩擦学性能研究

利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在钛合金TC4表面制备了梯度结构DLC薄膜,并研究了DLC薄膜微观形貌结构、力学性能以及不同对偶球材料(包括4种陶瓷与4种金属材料)对其摩擦学性能的影响. 结果表明:所制备的梯度结构DLC薄膜表面相对光滑平坦且与基底结合紧密,具有良好的力学性能;对于陶瓷球/DLC配副,在摩擦过程中由于对偶球硬度较大且耐磨,从而在陶瓷球表面易于形成稳定的碳质转移膜,SiC/DLC、Si₃N₄/DLC和ZrO₂/DLC表现为轻微的磨粒磨损和黏着磨损,而Al₂O₃球表面的碳元素含量较高使得DLC薄膜虽然发生破损和剥落但其摩擦系数仍保持在较低水平;金属球/DLC与陶瓷/DLC相比较,由于金属对偶球硬度较低,在摩擦过程中碳质转移膜无法稳定地覆盖在金属球,引起较高的摩擦系数,Al/DLC主要表现为严重的磨粒磨损,而Brass/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC主要为轻微的磨粒磨损或黏着磨损;SiC/DLC、ZrO₂/DLC、304SS/DLC和GCr15/DLC的DLC薄膜均具有较低的摩擦系数和磨损率且对偶球的磨斑较小,故其为较合理的摩擦副. 赫兹接触分析表明,陶瓷/DLC中除了ZrO₂/DLC,平均摩擦系数和计算接触半径的变化趋势是一致的,而在金属/DLC中并未发现这一规律.      

TiN/TaN多层膜的结构和摩擦学性能

利用磁控溅射法在单晶硅基底上制备了一系列TiN/TaN多层膜; 采用X射线衍射仪、显微硬度计、球-盘摩擦磨损试验机和三维表面形貌仪等分析了多层膜的结构、硬度、摩擦学性能和磨损机制.结果表明:所制备的多层膜具有良好的周期性和清晰的界面结构,其中TiN层具有面心立方结构,当TaN层在调制周期Λ值小于8.5 nm时具有面心立方结构,在调制周期Λ值大于8.5 nm时具有部分六方结构;多层膜的硬度受调制周期影响,当调制周期Λ值为8.5 nm时,显微硬度达到最大值31.5 GPa.相对于TiN薄膜而言,TiN/TaN多层膜的摩擦系数较高、耐磨性能更好;多层膜的磨损机制主要为犁削、粘着和局部剥落.