鈦合金扭動微動腐蝕行為研究.pdf

1、扭動微動是在法向載荷下接觸副發(fā)生的往復(fù)微幅相對扭動。扭動微動現(xiàn)象在工業(yè)各領(lǐng)域普遍存在，且常運行于特定的腐蝕性介質(zhì)中。作為4種基本微動運行模式之一的扭動微動，至今研究甚少，已有的研究也都集中在干態(tài)，關(guān)于液體介質(zhì)中的扭動微動腐蝕的研究尚未見報道。因此，本研究具有探索未知的科學(xué)意義，不僅豐富和發(fā)展了微動摩擦學(xué)的基本理論，而且對于認識人工關(guān)節(jié)的損傷失效機理，也有一定的價值。
　　 論文基于高精度低速往復(fù)回轉(zhuǎn)臺，外加恒溫循環(huán)水系統(tǒng)和電化學(xué)

2、分析系統(tǒng)，成功研制了恒溫扭動腐蝕磨損試驗裝置，真實模擬了恒溫液體介質(zhì)中的扭動微動腐蝕過程，試驗結(jié)果有很好的可比性和重現(xiàn)性。
　　 論文選用人工關(guān)節(jié)常用材料Ti6Al4V合金與ZrO2陶瓷配副，在多種環(huán)境(干態(tài)、純水、Saline溶液和Hank's溶液)下系統(tǒng)地進行了的扭動微動磨損和扭動微動腐蝕試驗研究。在動力學(xué)特性和腐蝕電化學(xué)行為分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合表面輪廓儀、光學(xué)顯微鏡(OM)、激光共焦掃描顯微鏡(LCSM)、掃描電子顯微鏡(S

3、EM)、電子能譜(EDX)、X射線光電子能譜(XPS)和原子吸收光譜等微觀分析手段，系統(tǒng)地研究了鈦合金的扭動微動磨損和扭動微動腐蝕的運行與損傷行為，并對磨損與腐蝕的交互作用進行了定性和定量分析。獲得的主要結(jié)論如下：
　　 (一)鈦合金在模擬體液中的電化學(xué)腐蝕行為鈦合金在兩種模擬體液(Saline和Hank's溶液)中都存在較明顯的鈍化現(xiàn)象，腐蝕速度很低；帶縫隙試樣的腐蝕速度略高于自由表面試樣，但并未出現(xiàn)明顯的縫隙腐蝕或孔蝕?？p隙

4、的存在阻礙了試樣表面鈍態(tài)的形成，降低鈍態(tài)穩(wěn)定性，從而略微加速鈦合金的腐蝕。相同條件下，鈦合金在Hank's溶液中的腐蝕電位略高于Saline溶液，腐蝕速度略低。
　　 (二)鈦合金扭動微動磨損運行和損傷機理研究建立了空氣和純水兩種環(huán)境下，鈦合金的扭動微動運行工況圖。在純水中，三個運行區(qū)域的摩擦扭矩時變曲線顯示出不同的規(guī)律。由于純水對鈦合金幾乎沒有腐蝕作用，兩種環(huán)境下鈦合金的扭動微動磨損機理相似，但由于純水的潤滑與排屑作用，二者也

5、存在一些差別：
　　 (a)部分滑移區(qū)：接觸中心黏著無損傷，微滑和損傷發(fā)生在接觸邊緣的圓環(huán)內(nèi)，磨痕呈環(huán)狀，磨痕寬度不隨循環(huán)次數(shù)變化；損傷機制主要表現(xiàn)為接觸邊緣的輕微磨粒磨損和擦傷。
　　 (b)混合區(qū)：隨著循環(huán)周次的增加，中心黏著區(qū)逐漸縮小，損傷區(qū)逐漸向心部擴展，直至完全覆蓋整個接觸區(qū)；磨痕輪廓呈“W”型，干態(tài)下磨屑排出困難，存在一定的磨屑層堆積現(xiàn)象。混合區(qū)的損傷機理主要是磨粒磨損、氧化磨損和剝層，并伴有輕微的材料轉(zhuǎn)移。

6、
　　 (c)滑移區(qū)：鈦合金試樣發(fā)生較嚴重的磨損，磨痕呈“U”型輪廓，純水下輪廓深度更大；兩種環(huán)境下?lián)p傷區(qū)都存在較明顯材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，該區(qū)的損傷機制主要表現(xiàn)為嚴重的磨粒磨損、剝層和氧化磨損。
　　 (三)鈦合金扭動微動腐蝕運行和損傷機理在兩種模擬體液中，鈦合金的腐蝕電化學(xué)行為與扭動角位移幅值密切相關(guān)。當角位移幅值增大到一定程度時，扭動開始后，腐蝕電位負移，腐蝕電流增大；相同載荷下，對Hank’s溶液中的鈦合金腐蝕電位產(chǎn)生影

7、響所需的最小扭動角位移幅值低于Saline溶液。扭動對鈦合金電化學(xué)腐蝕的陰極反應(yīng)影響不大，而對鈦合金陽極反應(yīng)產(chǎn)生顯著影響，扭動磨損造成鈦合金表面鈍化膜破壞，使磨損區(qū)露出的新鮮金屬成為腐蝕活性點，并導(dǎo)致鈦合金試樣表面較嚴重的縫隙腐蝕。
　　 研究建立了兩種模擬體液中鈦合金的扭動微動腐蝕運行工況圖。與Saline溶液相比，鈦合金在Hank's溶液中的混合區(qū)向滑移區(qū)擴展，寬度大于Saline液。三個運行區(qū)域的摩擦扭矩曲線顯示出不同的演

8、變規(guī)律。
　　 法向載荷、角位移幅值、循環(huán)周次對鈦合金的扭動微動腐蝕行為有顯著影響。兩種模擬體液中的材料損失體積都隨角位移幅值和法向載荷增大而增大；在相同試驗工況下，Hank’s溶液中的損傷體積均大于Saline溶液。在不同微動運行區(qū)域，鈦合金的扭動微動腐蝕損傷機理存在較大的差異：
　　 (a)部分滑移區(qū)：損傷輕微，主要以磨損為主，腐蝕不明顯；磨痕呈環(huán)狀，損傷機制同干態(tài)和純水。
　　 (b)混合區(qū)：隨循環(huán)周次的增

9、加，中心黏著區(qū)逐漸縮小，損傷區(qū)域逐漸向心部擴展，磨痕輪廓主要呈“W”型，存在較明顯的腐蝕痕跡。損傷機理主要是磨粒磨損、氧化磨損和剝層，其中在Hank’s溶液中還伴有一定的材料轉(zhuǎn)移和電化學(xué)腐蝕。
　　 (c)滑移區(qū)：整個接觸區(qū)自始至終均處于完全滑移狀態(tài)，發(fā)生較嚴重的損傷，磨痕輪廓呈“U”型，在接觸區(qū)表面覆蓋較厚的磨屑層，并伴有較明顯的材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。損傷機制主要表現(xiàn)為磨粒磨損、氧化磨損和剝層，并伴有較嚴重的材料轉(zhuǎn)移和電化學(xué)腐蝕。

10、r>　　 (四)鈦合金扭動微動腐蝕過程中磨損與腐蝕的交互作用大量定量分析的結(jié)果顯示：扭動對腐蝕的加速作用與扭動角位移幅值、法向載荷及介質(zhì)種類密切相關(guān)。在較小角位移幅值下，扭動對腐蝕幾乎不產(chǎn)生影響；在較大角位移幅值下，扭動對腐蝕的加速作用顯著，且隨角位移幅值增大，扭動加速腐蝕增量增大。在相同角位移幅值下，載荷越大，扭動對腐蝕的加速作用增強。在相同工況下，Hank's溶液中扭動加速腐蝕的作用強于Saline溶液。
　　 腐蝕對磨損

11、的加速作用受載荷控制。在低載荷下，兩種模擬體液的腐蝕作用都不會加速鈦合金扭動磨損，反而有減緩作用，磨損增量為負；而在高載荷下，獲得相反的結(jié)果。
　　 在模擬體液中，鈦合金扭動微動腐蝕過程材料損傷以磨損為主，交互作用總量與腐蝕加速磨損增量具有相似的規(guī)律。在低載荷下出現(xiàn)較明顯的負交互作用，且Hank's溶液中的負交互作用強于Saline溶液；在高載荷下出現(xiàn)較明顯的正交互作用，且Saline溶液的正交互作用強于Hank’s溶液。