激光熔覆生物陶瓷涂層的界面研究及其應(yīng)力場(chǎng)模擬.pdf

1、生物材料是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的重要功能材料之一，包括生物金屬、生物陶瓷材料和生物高分子材料等。在醫(yī)用金屬材料表面形成一層生物陶瓷是制備高性能、高可靠性生物植入材料的有效途經(jīng)。它既避免了金屬材料無(wú)生物活性、易腐蝕的問(wèn)題，又能克服生物陶瓷材料力學(xué)性能差的缺陷，并已得到廣泛應(yīng)用。本課題組在國(guó)內(nèi)外首次采用激光處理技術(shù)制備了在TC4(Ti6A14V)鈦合金表面同步合成及熔覆以羥基磷灰石(HA)為主的生物陶瓷涂層復(fù)合材料。對(duì)于這種層狀生物復(fù)合材料而

2、言，界面是比較重要的部分，其性能的好壞直接決定著整個(gè)材料的質(zhì)量和壽命。所以本文針對(duì)這種情況，采用實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)計(jì)算以及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等方法較深入地研究了激光熔覆生物陶瓷涂層的界面狀況；并且對(duì)涂層中加入稀土Y2O3的作用進(jìn)行了分析。 本文首先采用實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)界面的組織形貌、成分、物相及顯微硬度等進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)加入稀土Y2O3可有效控制其界面兩側(cè)原子的短程擴(kuò)散及界面反應(yīng)的發(fā)生，改善其界面組織結(jié)構(gòu)，從而提高結(jié)合強(qiáng)度。 其次，通過(guò)

3、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件ANSYS6.1對(duì)激光熔覆生物陶瓷涂層的界面進(jìn)行了溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)模擬，得到激光熔覆材料冷卻到室溫后其界面的殘余應(yīng)力分布以及位移分布。其結(jié)果是，界面在經(jīng)過(guò)搭接熔覆后部分縱向應(yīng)力為拉應(yīng)力，但數(shù)值遠(yuǎn)小于界面的結(jié)合強(qiáng)度，所以界面的質(zhì)量不會(huì)受到影響。 再有從熱力學(xué)計(jì)算的角度分析了在模擬溫度場(chǎng)的加熱溫度條件下涂層及界面可能發(fā)生的反應(yīng)。數(shù)學(xué)計(jì)算表明，在該實(shí)驗(yàn)條件下，涂層不僅完全具備合成羥基磷灰石、磷酸