織構化HA-ZrO2生物陶瓷涂層摩擦磨損性能研究.pdf

1、磨損是人工關節(jié)失效的主要原因之一。人工關節(jié)植入人體后，每年將產生500萬顆左右的顆粒，直接影響人工關節(jié)的使用壽命。羥基磷灰石(HA)及其復合生物陶瓷涂層具有良好的生物活性和生物相容性，是人工植入體的理想材料。然而，涂層具有脆性大、強度低、耐磨性較差等缺陷，較難達到人體承重部位所需的力學要求，限制其在人體承重部位的應用。因此，改善生物陶瓷涂層材料性能，增加其耐磨性和機械強度，延長使用壽命，是人體關節(jié)植入材料今后發(fā)展的一個重要方向。近幾年，

2、表面織構作為一種能夠有效改善表面摩擦學性能的技術手段，并被廣泛應用于表面油膜動壓潤滑及干摩擦研究中。
　　本文利用等離子噴涂技術及飛秒激光加工打孔技術，在氧化鋯陶瓷增強HA復合涂層表面制備直徑不同，面覆率不同的圓凹坑形織構，利用掃描電子顯微鏡(SEM)和超景深三維輪廓儀表征織構表面和截面的形貌，利用顯微硬度儀測量涂層顯微硬度;利用UMT-3磨損試驗機在模擬人體環(huán)境，在牛血清潤滑條件下分別研究不同直徑和面覆率的織構涂層與磨損系數和磨

3、損量之間的對應關系，得到最佳圓凹坑直徑及面覆率的織構。通過觀察不同載荷及往復速度下最佳織構涂層磨損后的織構形貌，研究織構涂層在牛血清潤滑條件下的磨損機理。本文的主要研究成果如下:
　　(1)通過等離子噴涂技術在鈦合金表面制備含30wt％的氧化鋯HA復合生物涂層，利用飛秒激光打孔技術在復合涂層表面制備出具有規(guī)則陣列、直徑不同的圓凹坑型織構，在相同凹坑直徑的基礎上制備面覆率不同的織構。
　　(2)對織構表面及截面形貌進行表征后發(fā)

4、現，織構整體陣列非常整齊，同一試樣上的圓凹坑直徑大小差別不大，織構圓凹坑周邊并沒有由于激光加工而出現的形貌破壞的情況。不同的織構凹坑深度有一定的波動，但是波動值不大。分別對織構表面及激光加工區(qū)域進行顯微硬度測試后發(fā)現，激光加工對其表面硬度影響不大，但是在其加工區(qū)域、圓凹坑的底部硬度有明顯的提高。
　　(3)在牛血清潤滑條件下，對不同織構設計參數的涂層及未織構涂層進行磨損實驗，實驗表明，大多數的織構試樣穩(wěn)定狀態(tài)下的磨擦系數小于未織構

5、試樣，所有織構試件的磨損深度均小于未織構涂層。其中面覆率為10‰直徑Φ250μm的織構試樣具有最小的摩擦系數及磨損深度。
　　(4)在牛血清潤滑條件下，載荷對面覆率10％，直徑Φ250μm的織構涂層的摩擦系數和磨損率影響較大，織構涂層的磨損率和摩擦系數隨著載荷的增大而增大?？棙嬐繉釉?N和8N載荷下的磨損表面微觀形貌較為光滑，有一定的光澤感，表面微裂紋較少;在載荷為12N時，凹坑的形貌被破壞，涂層磨損表面較為粗糙，織構凹坑處出現較

6、大的裂紋。最佳涂層在低載荷下的磨損機理為微觀剝落，隨著載荷進一步提高，其磨損機理轉化為塑性形變引起的剝落磨損。
　　(5)在牛血清潤滑條件下，試驗速度范圍內面覆率10％，直徑Φ250μm織構涂層的摩擦系數隨著速度的增加而遞減，其磨損深度，隨著速度的增加先減小后增加。涂層在低速狀態(tài)下，涂層磨損表面較為粗糙，表面有較多磨屑和小坑洞，但是織構圓凹坑的形貌保持完整;隨著速度進一步提高，牛血清潤滑膜的厚度增加，承載能力提高，磨屑與凹坑數量減

7、少，磨損表面變得更加光滑;但速度達到0.6m/s時，涂層的表面形貌是最光滑的，但是其織構圓凹坑形貌遭到破壞。磨粒在高速下有著較大的動能，在潤滑液的帶動下對織構圓凹坑產生較大的沖擊，使織構凹坑邊緣處材料發(fā)生剝落。
　　(6)通過研究在牛血清潤滑狀態(tài)下的stribeck曲線，織構涂層能夠比未織構涂層以較低的速度進入流體潤滑階段，速度為0.5m/s，摩擦系數達到最小值0.21。
　　綜上所述:HA復合生物陶瓷涂層經飛秒激光加工技術