Ti-6Al-4V热浸镀铝涂层干滑动磨损行为的实验研究

Ti-6Al-4V合金经热浸铝并在650℃下进行高温扩散退火处理,获得TiAl3涂层。采用销-盘式磨损试验机研究铝化后的Ti-6Al-4V合金与GCr15钢对磨的干滑动磨损行为。通过SEM、XRD、EDS和XPS等微观分析手段测试热浸镀铝涂层磨面的形貌、物相和成分,并且探讨其磨损机制。研究结果表明：随着滑动速度的增加,当滑动速度为0.75m/s时,铝化后的Ti-6Al-4V合金的磨损量先减小到最小值,然后在2.68m/s时增加到最高值,最后在4m/s时降至最低值。在不同的滑动速度下,磨损量随着载荷的增加而增加。研究发现,摩擦层结构对磨损的行为和机制有显著的影响。在4m/s时,含氧的摩擦层(TiO和TiO2)具有明显的减磨性能;相反地,在2.68m/s时,没有氧化物的摩擦层并未显示出对磨损具有保护作用。与未经热浸镀处理的Ti-6Al-4V合金相比,在不同工况下,铝化后的涂层提高了钛合金的耐磨性,尤其速度为4m/s。耐磨性得到提高是由Ti-Al涂层和摩擦氧化物层所引起的。     

不同滑动速度下两种钛合金的磨损行为

采用销-盘式磨损试验机对比研究两种典型双相钛合金TC4和TC11合金在不同滑动速度下的磨损行为,并探讨了磨损机制。结果表明:TC4合金的磨损率随滑动速度加快和载荷增加而增长,滑动速度为4m/s时,同载荷下的磨损率达到了最高值;而TC11合金的磨损率随滑动速度加快先增加,在滑动速度为2m/s时达到最高值然后开始下降,在4 m/s时取得最低值。载荷30 N时,TC4合金在滑动速度为1～4 m/s时的磨损机制主要为轻微粘着磨损、磨粒磨损和剥层磨损;TC11合金在滑动速度为1～2 m/s时的磨损机制为轻微粘着磨损、磨粒磨损和剥层磨损,在3 m/s时的为氧化磨损和磨粒磨损,但在4 m/s时的为氧化轻微磨损。两种钛合金在滑动速度为1～2m/s时的磨损行为与磨损机制相似。但高速下,稳定摩擦氧化物层的存在显著降低了TC11合金的磨损率;而TC4合金由于硬度相对较低,对摩擦氧化物层的支撑作用不足,磨损率快速增长。     

钛合金Ti6Al4V表面渗钼层的摩擦磨损性能

利用双层辉光离子渗金属技术在钛合金Ti6Al4V表面进行合金化，形成均匀、致密、厚度为9．4μm的钛钼合金渗层。表面硬度提高3倍左右，达到1050Hκ。采用球盘磨损试验机考察了钛合金Ti6Al4V表面渗钼层和Ti6Al4V钛合金的摩擦性能，得出该合金表面渗Mo后虽然摩擦因数略微增大，但耐磨性提高100余倍；通过对磨损形貌的分析可知，表面渗Mo合金层磨损机制主要表现为粘着及少量微切削。     

Fe2O3在钛合金干滑动磨损及摩擦层形成中的作用

通过在Ti6Al4V合金滑动界面人工添加Fe_2O_3纳米颗粒及其与TiO_2、MoS_2的混合物,试图促进含Fe_2O_3摩擦层在室温下的快速形成;研究了Fe_2O_3、TiO_2、MoS_2在钛合金滑动过程中的作用,并探讨Fe_2O_3相对含量对钛合金磨损行为及磨损机制的影响。结果表明:干滑动下的Ti6Al4V合金耐磨性较差,磨面添加的TiO_2进一步加速磨损,MoS_2一定程度上降低了磨损但并不显著,而Fe_2O_3完全抑制磨损但增大了摩擦系数。高载下,富TiO_2、MoS_2颗粒并不能形成摩擦层,反而聚集在磨面犁沟或者凹坑处,而富Fe_2O_3则容易形成致密的摩擦层覆盖于磨损表面,这证实了钛合金高温耐磨性的改善是由于Fe_2O_3的出现。混合MoS_2+80%(质量分数)Fe_2O_3形成的摩擦层,兼具MoS_2的润滑性和Fe_2O_3的承载能力,给Ti6Al4V合金带来最佳的摩擦磨损性能。     

钛合金Ti6Al4V表面Mo-N改性层的摩擦性能研究

采用钼-氮离子共渗与离子渗钼后再氮化2种工艺,在钛合金Ti6Al4V表面形成均匀致密的钼氮合金渗层.实验结果表明,2种工艺形成的表面合金层表面硬度都有大幅度提高,其中渗钼后氮化的硬度Hk0.1为16 810 MPa,钼-氮共渗Hk0.1为18 040 MPa.渗钼后氮化合金层主要为MoN相,而钼-氮共渗合金层主要为Mo2N相. 干摩擦条件下,球盘磨损试验表明,渗钼后氮化工艺更好地改进了钛合金Ti6Al4V耐磨性,降低比磨损率3个数量级.     

Ti_2AlNb合金表面等离子渗铝层的摩擦性能

利用双层辉光等离子冶金技术在Ti2Al Nb合金表面制备渗铝层,分析了渗铝层的成分、显微组织及相结构,测定了渗层的硬度分布,评价了室温干滑动磨损条件下的摩擦磨损性能。结果表明:在Ti2Al Nb合金表面形成约4μm的沉积层和6μm合金扩散层。扩散层中的硬度随渗层厚度呈梯度递减。渗铝层的磨损率为0.18×103mg/N·m,仅是基体的0.67倍,磨损机理属于轻微磨损,可见,双辉等离子渗铝在一定程度上提高基体材料的耐磨性。     

不同温度下γ-NiCrAlTi/TiC/CaF2自润滑耐磨复合涂层的摩擦磨损性能

为提高Ti6Al4V合金的摩擦学性能,采用激光熔覆技术在Ti6Al4V表面制备出以Ti C为增强相、γ-Ni Cr Al Ti固溶体为增韧相、Ca F2为自润滑相的γ-Ni Cr Al Ti/Ti C/Ca F2自润滑耐磨复合涂层。分别在室温、300℃和600℃时测试了复合涂层和Ti6Al4V合金基体的干滑动磨损性能,并且讨论了其与对磨球的磨损机理。结果表明:从室温到600℃,γ-Ni Cr Al Ti/Ti C/Ca F2自润滑耐磨复合涂层的摩擦系数和磨损率均比Ti6Al4V合金基体显著降低,该复合涂层具有较好的自润滑耐磨性能;对偶件Si3N4陶瓷球的磨损也有一定程度的降低。600℃时,Ti6Al4V基体的磨损机理为氧化塑性变形,γ-Ni Cr Al Ti/Ti C/Ca F2磨损机理为润滑转移层的形成。     

钛微弧氧化膜层在不同摩擦工况下的摩擦磨损行为研究

目的 研究钛微弧氧化膜层在不同摩擦工况下的摩擦磨损行为,为该膜层在工业领域中的合理应用提供参考.方法 首先,在铝酸盐电解液中,通过恒压模式制备钛微弧氧化膜层,然后在四种摩擦工况下(干摩擦/GCr15对磨球、干摩擦/Al2O3对磨球、油润滑/GCr15对磨球和油润滑/Al2O3对磨球),测试微弧氧化膜层的摩擦学性能.通过XRD分析膜层的物相组成,通过SEM、EDS分析不同摩擦工况下磨痕的表面形貌和元素分布,测量膜层的摩擦系数和磨损率,探讨不同工况下钛微弧氧化膜层的摩擦磨损形式和机理.结果 干摩擦/GCr15对磨球工况下,膜层主要发生磨粒磨损,磨损率为1.4×10–5 mm3/(N·m);在干摩擦/Al2O3对磨球工况下,膜层迅速失效;在油润滑/GCr15对磨球工况下,膜层仅发生轻微磨损,表面出现疲劳剥落现象,磨损率为5.3×10–6 mm3/(N·m);在油润滑/Al2O3对磨球工况下,膜层疲劳磨损较严重,磨损率为1.5×10–5 mm3/(N·m).结论 当对磨副材料为硬度较低的金属材料时,钛微弧氧化膜层在干摩擦和油润滑工况下,均表现出良好的耐磨性,但干摩擦工况容易造成对磨副材料的严重磨损;当对磨副材料为高硬度的陶瓷材料时,干摩擦工况下,钛微弧氧化膜层的耐磨性很差,然而通过润滑油可以显著降低膜层的摩擦系数和磨损率.     

速度和载荷对TC11合金干滑动磨损行为的影响

采用销-盘式高速磨损试验机对TC11合金在0.5~4 m·s~(-1)下进行干滑动摩擦磨损实验,研究了TC11合金的磨损行为,并探讨了磨损机制。结果表明:在0.5~4 m·s~(-1)之间,4 m·s~(-1)时TC11合金磨损失重最低,其次为0.75 m·s~(-1)时的,而2.68 m·s~(-1)时磨损失重最大。不同速度下磨损量均随载荷的增加而增加,其中以2.68 m·s~(-1)时增加最为剧烈。TC11钛合金的磨损为黏着磨损、磨粒磨损和氧化磨损的综合作用结果。0.75和2.68 m·s~(-1)时以黏着磨损和磨粒磨损为主要磨损机制,4 m·s~(-1)时转变为氧化轻微磨损为主。不同工况下磨损过程中均形成摩擦层,4m·s~(-1)时不同载荷下摩擦层中出现数量较多的氧化物TiO、TiO_2,此时摩擦层硬度较高,具有显著地减磨作用。     

Ti6Al4V合金表面Ti(C,N)改性层的摩擦性能

利用双层辉光等离子表面冶金技术,以石墨为源极,Ti6Al4V为阴极,一定比例的氮气和氩气为载气,在其表面形成Ti(C,N)改性层。观察分析了改性层的成分、显微组织及相结构,评价了其纳米硬度和室温干滑动磨损条件下的摩擦磨损性能。结果表明:改性层主要组成相为Ti(C0.3N0.7);碳、氮元素分布由表及里呈梯度分布;改性层纳米硬度高达41 GPa,较基体明显提高;在室温干摩擦磨损条件下,改性层与基体相比,摩擦因数由0.45降低到0.28,比磨损率也大大下降,表现出优异的耐磨减摩性能。     

Ti6Al4V钛合金表面真空渗氧处理

目的在Ti6Al4V钛合金表层制备硬度高、耐磨性好的硬化层。方法结合真空技术,以高纯的O2为介质,在Ti6Al4V钛合金表面制备致密的渗氧硬化层,采用X衍射仪分析渗氧层的相组成,用金相显微镜观察渗氧层和磨痕组织,用显微硬度计测试渗氧层的显微硬度,用MM-U10A端面磨损试验机研究渗氧层的耐磨性。结果渗氧层物相主要由TiO_2、TiO、Ti_3Al及Al_2O_3组成,温度较低时,形成的渗氧层较薄,温度增加,渗氧层厚度迅速增加,硬度及耐磨性也随之增加。温度为760℃时,表面硬度为基体硬度的2.5倍以上,大于750HV,有效硬化层厚度达60μm以上,其磨损失重仅为未渗氧原样的1/4,表面磨痕细密,没有撕裂情况发生,渗氧层保持完整。温度继续增加,氧化物开始聚集长大,渗氧层组织开始变得疏松,硬度及耐磨性开始下降。结论 Ti6Al4V钛合金表面真空渗氧处理可显著提高其表面硬度,耐磨性改善明显。     

Wear behavior of Ti6Al4V biomedical alloys processed by selective laser melting,hot pressing and conventional casting

The aim of this work was to study the influence of the processing route on the microstructural constituents, hardness and tribological (wear and friction) behavior of Ti6Al4V biomedical alloy. In this sense, three different processing routes were studied: conventional casting, hot pressing and selective laser melting. A comprehensive metallurgical, mechanical and tribological characterization was performed by X-ray diffraction analysis, Vickers hardness tests and reciprocating ball-on-plate wear tests of Ti6Al4V/Al₂O₃ sliding pairs. The results showed a great influence of the processing route on the microstructural constituents and consequent differences on hardness and wear performance. The highest hardness and wear resistance were obtained for Ti6Al4V alloy produced by selective laser melting, due to a markedly different cooling rate that leads to significantly different microstructure when compared to hot pressing and casting. This study assesses and confirms that selective laser melting is potential to produce customized Ti6Al4V implants with improved wear performance.     

Improving tribological properties of Ti6Al4V alloy with duplex surface treatment

Ti-doped diamond like carbon films were deposited on both untreated and plasma nitrided Ti6Al4V alloy using Closed Field Unbalanced Magnetron Sputtering (CFUMBS) method and their tribological properties were evaluated by conducting sliding wear conditions. The influence of the nitrided layer on tribological behavior of Ti-DLC films was studied by means of XRD, SEM, scratch tester, microhardness tester and pin-on-disc tribotester. The microhardness results pointed out that the duplex treatment dramatically increased the surface hardness and reduced the plastic deformation of the alloy. Wear tests showed that Ti-DLC coatings on both untreated and nitrided surfaces caused a reduction in the coefficient of friction. The reason of the reduction in the coefficient of friction was found to be the formation of transfer film between the sliding surfaces. Wear rates demonstrated that wear resistance of duplex treated (Ti-DLC coating after nitriding) Ti6Al4V alloy was significantly improved.     

The Tribological Performance of Surface Treated Ti6A14V as Sliding Against Si<Subscript>3</Subscript>N<Subscript>4</Subscript> Ball and 316L Stainless Steel Cylinder

Closed field unbalanced magnetron sputtering was used to deposit diamond-like carbon (Ti-C:H) coatings on Ti6Al4V alloy and gas nitrided Ti6Al4V alloy. Four different specimens were prepared, namely untreated Ti6Al4V alloy (Ti6Al4V), gas nitrided Ti6Al4V alloy (N-Ti6Al4V), Ti-C:H-coated Ti6Al4V alloy (Ti-C:H/Ti6Al4V) and Ti-C:H-coated gas nitrided Ti6Al4V alloy (Ti-C:H/N-Ti6Al4V). The tribological properties of the four specimens were evaluated using a reciprocating wear tester sliding against a Si₃N₄ ball (point contact mode) and 316L stainless steel cylinder (line contact mode). The wear tests were performed in a 0.89 wt.% NaCl solution. The results showed that the nitriding treatment increased the surface roughness and hardness of the Ti6Al4V alloy and improved the wear resistance as a result. In addition, the Ti-C:H coating also improved the tribological performance of Ti6Al4V. For example, compared to the untreated Ti6Al4V sample, the Ti-C:H coating reduced the wear depth and friction coefficient by 340 times and 10 times, respectively, in the point contact wear mode, and 151 times and 9 times, respectively, in the line contact wear mode. It is thus inferred that diamond-like carbon coatings are of significant benefit in extending the service life of artificial biomedical implants.     

稀土含量对Ti6Al4V钛合金等离子渗氮层组织和摩擦学性能的影响

目的研究稀土含量对Ti6Al4V钛合金表面等离子体渗氮层结构和性能的影响。方法运用等离子表面改性技术对Ti6Al4V(TC4)钛合金进行等离子渗氮处理,渗氮过程中通入不同含量的稀土作为催渗剂,以获得钛合金表面强化层。利用金相显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察渗氮层组织,用X射线衍射仪(XRD)分析渗层相组成,用能谱仪(EDS)检测渗层的化学成分,用维氏显微硬度计测量渗层的显微硬度,用球-盘式摩擦磨损试验机和三维轮廓仪检测渗层的摩擦磨损性能。结果TC4钛合金表面等离子渗氮层结构包括表面化合物层(主要成分为δ-TiN)和扩散层(主要为N原子扩散形成的N-Ti固溶体),加入稀土可以促进N原子向基体的扩散,提高渗氮速度。渗层厚度增加,硬度和耐磨性能提高,扩散层使钛合金基体与化合物层之间的硬度梯度更加平缓。当稀土通入速率为60 mL/min时,渗层厚度可达155μm,表面硬度为1275HV0.05,摩擦系数降到0.27,磨损率明显降低。结论钛合金等离子渗氮过程中加入稀土可以有效提高渗速,改善渗氮层硬度,提高材料表面的耐磨性能。     

Effects of Micro-Arc Oxidation of Ti6Al4V Alloy on Adhesion Property to Electroless Ni-P-ZrO2 Composite Platings and Their Wear Resistance

在Ti6Al4V合金微弧氧化膜表面制备Ni-P-ZrO2化学复合镀层,微弧氧化处理时间分别为15、30、60、90 min。采用扫描电镜/能谱仪、划痕试验、热震试验、显微硬度计和球盘式摩擦磨损试验机研究了微弧氧化膜结构对Ni-P-ZrO2化学复合镀层的结合性能与摩擦性能的影响。结果表明：随着微弧氧化时间的增加,复合镀层的结合性能显著提高,原因是微弧氧化膜的多孔性结构及其机械锁合效应。与Ti6Al4V合金相比,微弧氧化+化学复合镀处理后的试样硬度和耐磨性显著提高,Ti6Al4V合金表现为是严重的黏着磨损,而Ni-P-ZrO2复合镀层以磨砺磨损为主     

Ti6Al4V合金表面氩弧熔覆原位合成TiC-TiB2增强钛基复合涂层组织与耐磨性

以B4C和Ni60A粉末为预涂材料,采用氩弧熔覆技术,在Ti6Al4V合金表面原位合成TiC与TiB₂增强相增强钛基复合材料涂层.运用XRD,SEM等分析手段研究了复合涂层的显微组织,利用显微硬度仪测试了复合涂层的显微硬度并用磨损试验机分析了其在室温干滑动磨损条件下的耐磨性能.结果表明,熔覆层组织主要由TiC和TiB₂组成,TiC颗粒和TiB₂颗粒弥散分布在基体上,TiC颗粒的尺寸为2~3μm,而呈长条状的TiB₂颗粒尺寸为3~5μm.显微硬度和耐磨性测试结果表明,该复合涂层显微维氏硬度高达1200MPa左右,复合涂层的耐磨性能比Ti6Al4V基体提高约20倍.