低电流低电压条件下的医用钛合金微弧氧化工艺研究

作者:韩帆;范兴平;李宏;何洁;李青;况浩;陈萌 刊名:《攀枝花学院学报:综合版》 上传者:李志

【摘要】本文以微弧氧化工艺为研究对象,研究Ti-6Al-4V(TC4)在恒流恒压的条件下微弧氧化所得到的表面情况。并通过数字显微镜观察成膜情况以及膜层厚度,实验表明:在磷酸盐与硅酸盐混合电解液体系下,Ti-6Al-4V(TC4)能够在低电流低电压的情况下发生微弧氧化,且最佳实验条件是电流密度为0.3A,反应时间20min,得到的膜层厚度为119μm。

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0引言Ti-6Al-4V(TC4)合金最初是为了克服纯钛机械性能差而为航天应用设计开发出来的。70年代后期被广泛用作外科修复材料,如关节、膝关节髋等。这种材料在人工关节材料方面已占据了主导的地位,虽然该合金在体液中具有很强的抗腐蚀性,但仍会有物质释放到组织中。研究表明种植体周围组织中钛的浓度会提高10~100倍。而V离子有生物毒性,Al能引起骨质溶解、贫血和神经紊乱,有学者认为铝元素和老年痴呆症有一定的联系。虽然该合金有以上的不足,但目前对其进行表面改性已开展了大量的研究并取得了较大的进展。而且Ti-6Al-4V(TC4)合金相对于-型钛合金价格低廉,技术成熟,生物陶瓷薄膜具有耐磨损性、耐腐蚀性以及良好的生物相容性对提高该合金外植入体表面改性方面具有较大的应用前景,所以在很长一段时间内还将作为主要使用的基体材料,相信在不久的以后,该合金还将作为重要的医用植入材料活跃于医用、军工等领域[1]。目前对于Ti-6Al-4V(TC4)的表面处理工艺,主要有热氧化法、表面氮化、微弧氧化等,其中热氧化处理可在钛合金表面形成陶瓷涂层,其厚度和性能随热氧化工艺的变化而变化。700下可得到均匀、致密、不导电的陶瓷涂层。热氧化处理后可显著改善钛合金表面的硬度。但是涂层的硬度与涂层的厚度并不是线性变化的。涂层过厚,容易脱落,反而不利于钛合金表面的耐磨性。表面氮化是利用辉光放电化学热扩散技术(渗氮、渗碳、渗硼等),由于其具有良好的膜基结合强度和承载能力,因而在提高钛合金高载荷工况下的摩擦学性能方面显示出明显的优势[2]。微弧氧化(Microarcoxidation,MAO)又称等离子氧化,是通过电解液与相应电参数的组合,在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用,生长出以金属氧化物为主的陶瓷膜层。同时微弧氧化形成的膜层与基体结合牢固,结构致密,韧性高,具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘性等特性[3,4]。1实验研究1.1实验原料及方法本实验材料选用Ti-6Al-4V(TC4)钛合金,其化学成分见表1,切割尺寸大小为9mm2mm的小圆柱体,用砂纸逐级打磨至1000号后,超声清洗,水清洗后冷风吹干,置于干燥器中备用,将其与50mm15mm7mm的石墨试样作电极,固定在烧杯上,电解液为硅酸钠磷酸钠两种体系,采用定制微弧氧化电源,电解液温度为室温,利用冰袋冷却;以恒流、恒压两个方式进行实验[5]。表1Ti-6Al-4V(TC4)的化学成分组成化学元素TiAlVFeCNHO质量分数87.95.5-6.83.5-4.50.30.100.050.0150.20本实验采用微弧氧化法,与常用的热氧化法、表面氮化、微弧氧化等方法有些不同,如表2所示。表2常用方法对比表表面氧化法表面氮化微弧氧化本次试验的微弧氧化工艺流程酸中煮沸24h抽真空升温通气随炉冷却抽真空回火去油、打磨、抛光、超声波清洗(30min)微弧氧化去油、打磨、超声波清洗(5min)微弧氧化工作条件含量<0.2%盐酸真空,氮气高压、强电流低电压,低电流氧化类型化学氧化气体氮化等离子增强化学氧化、化学氧化等离子增强化学氧化、化学氧化氧化膜相结构金红石结构TiN氧化层基底金属晶态氧化物为主,辅以电解液组分氧化物基底金属晶态氧化物为主,辅以电解液组分氧化物处理时间24h6h(200m)10~30min(50m)20-60min(30-120m)1.2实验考核指标及分析方法本实验以微弧氧化镀膜厚度为考核指标,采用数字显微镜观察试样镀膜厚度,其方法为:将微弧氧化后的Ti-6Al-4V(TC4)钛合金试样沿膜厚方向

参考文献

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