鈦基和鐵基合金的表面納米化與滲氮研究.pdf

1、研究表明表面納米化的預(yù)處理可降低鋼鐵材料的滲氮溫度，同時(shí)能獲得令人滿意的表面性能，但其中還有很多值得深入探討的問題，而且關(guān)于這種低溫滲氮技術(shù)在鈦基材料中的研究十分有限。鈦及鈦合金的滲氮溫度較高，容易導(dǎo)致工件變形，研究如何利用表面納米化技術(shù)降低鈦的滲氮溫度在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義。另外，鋼鐵材料的滲氮層具有較大的脆性，如何降低其脆性是目前滲氮工藝的難點(diǎn)。
　　本文系統(tǒng)研究了表面納米化純鈦的低溫滲氮行為，以及該技術(shù)在改善含鈦金屬復(fù)合板

2、的表面性能和醫(yī)用鈦基種植體的生物相容性等方面的應(yīng)用。針對鋼鐵材料表面納米化滲氮研究的不足，本文仔細(xì)研究了表面納米化純鐵滲氮后的整體拉伸性能。另外，為降低鋼鐵材料滲氮層的脆性，本文探討了離子轟擊與表面納米化復(fù)合處理的方法在改善滲氮層脆性方面的可行性。主要研究結(jié)果包括:
　　1.經(jīng)表面納米化處理后，純鈦表面形成了致密無污染的納米結(jié)構(gòu)表層，最表層的平均晶粒尺寸約為12nm，其晶粒細(xì)化為孿生與位錯(cuò)滑移的共同作用。納米晶組織在500℃以下溫

3、度保持較好的熱穩(wěn)定性，在500℃退火150min后，納米晶粒輕微長大，在500℃退火240min后晶粒明顯長大。
　　2.表面納米化預(yù)處理可有效降低純鈦的氣體滲氮溫度，550℃的低溫氣體滲氮實(shí)驗(yàn)表明在表面納米化樣品表面上形成了約10μm厚的化合物層。XRD、TEM分析表明表面納米化低溫滲氮樣品表層由ε-TiN和γ-Ti2N以及含氮固溶體等幾相組成，并且表層氮化物的尺寸約為10～50nm。次表層可觀察到顆粒狀氮化物在α-Ti晶界上析

4、出，其尺寸約為幾十納米至幾百納米。性能測試表明表面納米化低溫滲氮樣品具有較高的表面硬度(達(dá)到1288HV)，良好的耐磨性。
　　3.表面納米化滲氮技術(shù)不僅可以降低純鈦的滲氮溫度，而且可以應(yīng)用到鈦鋁金屬復(fù)合板的表面滲氮處理工藝上，在降低鈦層氮化溫度的同時(shí)能保證鋁層不被熔化，并在鈦鋁層中間形成一定厚度的化合物，增強(qiáng)了金屬復(fù)合板之間的結(jié)合力。另外這種技術(shù)還可應(yīng)用到鈦鋼復(fù)合板的表面滲氮工藝上，降低鈦的滲氮溫度至550℃，使得鈦層和鋼層能夠

5、同時(shí)進(jìn)行滲氮。
　　4.表面納米化低溫滲氮處理能夠提升純鈦種植體的生物相容性。成骨細(xì)胞在表面納米化低溫滲氮樣品上比較好的黏附生長，細(xì)胞胞體體積增大、胞漿豐富;細(xì)胞增殖檢測表明表面納米化低溫滲氮樣品表面細(xì)胞增殖率高于原始未處理樣品。ALP與OC檢測顯示表面納米化低溫滲氮樣品的ALP分泌和OC表達(dá)水平高于原始未處理樣品，統(tǒng)計(jì)分析差異有顯著性(P＜0.05)。另外，由于表層硬度和耐磨性的提高，純鈦種植體的使用壽命有望在一定程度上提高。<

6、br>　　5.表面納米化純鐵在500℃滲氮后，表層氮化物厚度和硬度較粗晶滲氮樣品都有所提高，表層化合物組織為Fe2-3N相，其晶粒尺寸大約為10～40nm，在化合物層以下的次表層中有大量顆粒狀且尺寸約為幾十到幾百納米的Fe2-3N相析出。拉伸實(shí)驗(yàn)表明表面納米化滲氮樣品較粗晶滲氮樣品具有更高的強(qiáng)度和更好的拉伸塑性，屈服強(qiáng)度為390MPa，抗拉強(qiáng)度為450MPa，斷裂延伸率為44％。
　　6.離子轟擊與表面納米化的復(fù)合處理可改善20C