Welche Oberflächenbehandlungsmethoden gibt es für Titanlegierungen?
Titanlegierungen werden in großem Umfang in der Luftfahrt, der chemischen Industrie und der biomedizinischen Industrie eingesetzt. Allerdings schränken ihre geringe Härte und ihr unangenehmer Verschleiß sowie ihre kontaktvermindernden Eigenschaften ihre Anwendungsmöglichkeiten ein. Die Nutzung der Oberflächenanpassungsinnovation zur Bearbeitung der oberflächlichen Eigenschaften von Titanlegierungen hat viel Aufmerksamkeit erregt. Eine chemische Behandlung oder chemische Oxidation ist in der Regel die gebräuchlichste Methode, um die Bindungskraft zwischen dem Substrat und der Beschichtungsschicht sowie die Korrosionsbeständigkeit der Oberfläche zu erhöhen. Ungeachtet dessen ist der durch chemische Oxidation erhaltene Oxidfilm dünn und weist eine schlechte Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit auf. Die chemische und galvanische Beschichtung von Titan ist aufgrund des Oxidfilms auf der Oberfläche schwierig. Im Gegensatz dazu gilt die Mikrolichtbogenoxidationsbehandlung derzeit allgemein als die vielversprechendste Methode zur Oberflächenbehandlung von Titanlegierungen.
Im Allgemeinen weisen Titan und Titanlegierungen eine schlechtere Verschleißfestigkeit auf als die üblicherweise verwendeten biologischen Legierungen CoCr-Legierung und Edelstahl 316L, und das erzeugte Verschleißpulver kann negative Auswirkungen auf den biologischen Körper haben. Daher erfordern einige neu entwickelte Titanlegierungen für biologische Zwecke häufig eine entsprechende Oberflächenbehandlung, um ihre Verschleißfestigkeit zu verbessern, bevor sie in vivo verwendet werden. Um die Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Fretting-Beständigkeit, Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit usw. von Titanlegierungen weiter zu verbessern, ist die Oberflächenbehandlung von Titanlegierungen eine wirksame Möglichkeit, den Einsatzbereich von Titanlegierungen weiter zu erweitern. Man kann sagen, dass bei der derzeitigen Verwendung von Metallen fast alle Oberflächenbehandlungsmethoden auf die Oberflächenbehandlung von Titanlegierungen angewendet wurden, einschließlich Metallbeschichtung, chemische Beschichtung, Thermodiffusion, Eloxierung, thermisches Spritzen, Niederdruck-Ionentechnologie und Elektronik und Laseroberflächenlegierung sowie Nichtgleichgewichts-Magnetron-Sputterbeschichtung. , Ionennitrieren, PVD-Filmherstellung, Ionenplattieren, Nanotechnologie usw. Es scheint, dass die Bildung von TiO-, TiN- und TiC-Infiltrationsbeschichtungen auf der Oberfläche von Titanlegierungen und die Oberflächenoxidationsbehandlung von TiAlN-Mehrschicht-Nanofilmen ihre Oberflächenverschleißfestigkeit verbessern stehen nach wie vor im Fokus der Forschung.
Flüssigkeitsabscheidung:Flüssige biokeramische Beschichtung auf der TC4-Oberfläche. In den letzten Jahren wurde öffentlich über explorative Forschungen zur Herstellung biokeramischer Beschichtungen auf der Oberfläche von Implantaten mit Titanlegierungsmatrix durch chemische Behandlung berichtet. Beispielsweise wurde das zweistufige Alkalibehandlungsverfahren mit hochkonzentriertem NaOH oder H2O2 vorgeschlagen, und einige Leute haben Modulatoren wie Vinyltriethoxysilan und Natriumpolyacrylat eingeführt, um biokeramische Beschichtungen zu erhalten. Nach einer einfachen Säure-Base-Vorbehandlung wird die TC4-Titanlegierung in eine schnelle Verkalkungslösung (FCS) eingetaucht und abgeschieden, die Körperflüssigkeit simuliert, um Gradienten-gebundene HA-Biokeramik-Beschichtungskomposite auf Titanbasis mit guter biologischer Aktivität zu erhalten. Die Untersuchung dieser Methode hat eine sehr wichtige theoretische Bedeutung und einen potenziellen wirtschaftlichen Wert für die direkte Anwendung von Titanlegierungen als Implantatmaterialien für Hartgewebe.
Oberflächenoxidationsbehandlung:Im Vergleich zu anderen Oberflächenbehandlungstechnologien weist die Ionenimplantation viele Vorteile auf. Im Vergleich zur physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung sind die Hauptvorteile: ① Der Film verbindet sich gut mit dem Substrat und weist eine hohe Beständigkeit gegen mechanische und chemische Einwirkungen auf, ohne sich abzulösen. ② Implantation Der Prozess erfordert keine Erhöhung der Substrattemperatur, wodurch die geometrische Genauigkeit des Werkstücks erhalten bleibt; ③ Der Prozess weist eine gute Wiederholbarkeit usw. auf. Viele Forscher haben berichtet, dass die Stickstoffionenimplantation einen guten Effekt auf die Verbesserung der Oberflächenzusammensetzung, Mikrostruktur, Härte und tribologischen Eigenschaften der Titanlegierung Ti6Al4V hat. Da TiC auch eine superharte Phase ist, kann die Ionenimplantation von Kohlenstoff in Titanlegierungen auch die Oberfläche von Titanlegierungen verstärken. Da es sich bei der plasmabasierten Ionenimplantation jedoch nicht um einen kontinuierlichen Prozess handelt, treten beim Anlegen jedes negativen Impulspotentials zwei Prozesse auf, nämlich Sputtern und Implantation, da das Impulspotential von Null auf den Talwert abfällt und dann wieder auf Null ansteigt. Wenn das Plasma Metall- oder Kohlenstoffionen enthält und das Pulspotential Null ist, bildet sich unter bestimmten Bedingungen eine einzelne Kohlenstoffablagerungsschicht auf der Oberfläche. Unter einer bestimmten Impulsspannung (10~30kV) wird die Struktur dieser einzelnen Kohlenstoffschicht diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC) sein. Dadurch kann eine Oberflächenmodifizierungsschicht mit niedrigerem Reibungskoeffizienten und besserer Verschleißfestigkeit als die mit Stickstoff injizierte Schicht erhalten werden. Es wurde experimentell festgestellt, dass es sich bei der einzelnen Kohlenstoffschicht auf der Oberfläche um einen DLC-Film handelt. Die Oberflächenhärte der so behandelten Titanlegierung wird um das Vierfache erhöht. Wenn das gleiche Material unter trockenen Reibungsbedingungen ein Reibungspaar bildet, sinkt der Reibungskoeffizient von 0,4 auf 0,1 und die Verschleißfestigkeit ist mehr als 30-mal höher als ohne Ionenimplantation. .
Ionenstrahlverstärkte Abscheidung (IBED):Mit der IBED-Methode (Ion Beam Enhanced Deposition) wurde ein CrC-Hartfilm hergestellt, der zum Schutz vor Reibverschleiß bei Titanlegierungen eingesetzt werden kann. Untersuchungen zeigen, dass CrC die besten Reibermüdungseigenschaften aufweist; und der nach dem Kugelstrahlen beschichtete CrC-Film weist die höchste Reibverschleißbeständigkeit auf. Ionenbeschuss: Nach der Oberflächenbehandlung der Titanlegierung TC11 durch Stickstoffionenbeschuss kann auf der Oberfläche eine modifizierte Schicht aus TiN und Ti2N mit einer Härte von 600 bis 800 HV erhalten werden; Die Erhöhung der Oberflächenhärte trägt zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Titanlegierung TC11 bei. Plasmanitrieren undKugelstrahlen:Ein Gleichstrom-Pulsplasma-Stromversorgungsgerät wird zum Nitrieren der Oberfläche der Ti6Al4V-Titanlegierung verwendet, und die Kugelstrahlverformungsverstärkung (SP) wird zur Nachbearbeitung der Nitrierschicht verwendet. Auf der Oberfläche der Titanlegierung werden TiN, Ti2N und Ti2A1N erhalten. Diese modifizierte Schicht ist eine nitrierte Schicht, die aus gleichen Phasen besteht. Sie kann die herkömmliche Verschleiß- und Reibverschleißbeständigkeit (FW) von Titanlegierungen erheblich verbessern, verringert jedoch die FF-Beständigkeit des Grundmaterials. Die reibungsmindernden und verschleißhemmenden Eigenschaften der nitrierten Schicht wirken synergetisch mit der durch SP eingeführten Oberflächeneigendruckspannung, sodass die FF-Beständigkeit der Titanlegierung die von SP allein übertrifft. Die Verbesserung der Zähigkeit der nitrierten Schicht ist für die Verbesserung der FF- und FW-Eigenschaften sehr wichtig
aus Titanlegierungen. DLC-Membran:Verbundkohlenstoffmembranen haben einzigartige physikalische, mechanische und chemische Eigenschaften und wurden als Gegenstand zahlreicher Studien verwendet. Der Hauptzweck der Verwendung eines durch Hochfrequenzplasma verstärkten chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens zur Herstellung diamantähnlicher Kohlenstofffilme besteht darin, die Oberflächenhärte und den Reibungswiderstand von Titanlegierungen zu verbessern. Die Testergebnisse zeigen, dass bei einem Titangehalt in der Folie über 9 % die Härte der Folie abnimmt und auch die Haftfestigkeit der Folienbasis eingeschränkt ist.
AC-Mikrolichtbogenoxidation:Micro-Arc-Oxidation (MAO) ist eine neue Technologie zum Züchten von Oxidkeramikfilmen auf Metalloberflächen. Es entwickelte sich aus der Eloxierung, legte jedoch eine hohe Spannung von mehreren hundert Volt an und durchbrach damit die Spannungsbeschränkungen der Eloxierung. Diese Technologie wandelt das Grundmetall durch sofortiges Sintern bei hoher Temperatur und hohem Druck in der Mikrolichtbogenentladungszone direkt in Oxidkeramik um und erzeugt einen dickeren Oxidfilm. Für den Mikrolichtbogen-Oxidationsfilm auf der Oberfläche der Titanlegierung ist die Härte des erhaltenen Films hoch und er verbindet sich gut mit der Metallmatrix. Es verbessert die Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und Isolationseigenschaften der Titanlegierungsoberfläche und hat Anwendungsaussichten in vielen Bereichen.
