收稿日期:2000205217TC4钛合金表面保护层的应用研究北京航空材料研究院黄永玲文摘主要研究在TC4钛合金表面,进行多弧离子喷涂TiN和Parylene聚合物气相沉积等表面覆盖工艺,籍以提高TC4钛合金表面抗磨蚀性能。这些涂层不仅改善产品的抗磨蚀疲劳性能,延长产品使用寿命,其中某些涂层还能提高硬度、耐磨性和抗腐蚀性能等。主题词TC4钛合金抗磨蚀性能离子喷涂气相沉积1引言TC4钛合金是一种典型的Α+Β型两相钛合金,它含有6%Α相稳定元素铝和4%Β相稳定元素钒。该合金具有优异的综合性能,在航天和航空工业中获得广泛的应用。同时该合金还是国际通用外科植入材料,因为它具有比强度高、比重轻、导热系数小、生物相容性和抗腐蚀性好等特点,亦是当今医学生物工程中不可缺少的金属材料。自80年代初,TC4钛合金人工关节被选为我单位军转民产品。历经多年应用研究,使该合金原先在宇航工业中发现的三大缺点:耐磨性差、微振磨蚀和接触腐蚀等更充分暴露。例如关节植入人体,经活动磨擦产生黑水;因人体活动产生微振磨蚀,引起TC4钛合金骨盆钉的疲劳强度迅速降低,致使骨盆钉断裂;接触腐蚀与金属的电极电位有关,中国航空材料手册明文指出,TC4钛合金不能与铝合金、结构钢以及铅、锌、锡、银、铋等金属零件和工具接触,以防产生接触腐蚀。为改善TC4合金使用条件,试图从研究表面涂层入手,来解决该合金的某些缺陷,改善其使用性能。以往在宇航工业中,为避免TC4钛合金零件在工作中发生擦伤和粘结,在有磨擦和螺纹组合的零件上,进行阳极化、镀铬、化学镀镍和渗氮处理。由于这些常规保护工序不能满足新技术发展的需要,例如涂层比较致密、结合力较好的化学镀镍层,就不能适用于人体植入工程。因为镍元素的一种派生物——羰基镍Ni(CO)5,对人体有毒害。随着新技术的发展,对TC4钛合金表面进行氮离子注入要比传统的渗氮处理更简便有效。本文主要阐述对TC4钛合金表面,进行多弧离子喷镀TiN和Parylene聚合物气相沉积等表面覆盖工艺,直接研究对象为TC4钛合金人工关节。但籍以提高TC4钛合金表面抗磨蚀性能的有关试验数据,对其在航天和航空工业中的应用,亦具有参考价值。2实验方法2.1原材料本文选用两种产品——TC4钛合金脊柱板和TC4钛合金人工髋关节。其化学成分、力学性能和生物性能见表1、2、3,金相组织见图1、2。322000年8月航天工艺第4期表1TC4钛合金脊柱板和人工髋关节的化学成分元素AlVFeOCNHTi钛合金脊柱板6.104.10<0.300.021<0.012<0.050.001余量人工髋关节5.094.200.180.10.0480.00170.0049余量GB�T13810219975.50～6.753.50～4.50≤0.30≤0.20≤0.08≤0.05≤0.015余量表2TC4钛合金脊柱板和人工髋关节的力学性能牌号炉号ΡbΡ0.2MPa、N�mm2∆5%7%TC4人工髋关节98593215.545.4钛合金脊柱板91885615.649.2GB�T1381021997标准要求8958301025表3TC4钛合金脊柱板和人工髋关节的生物学性能生物性能细胞毒性致敏性溶血率AmesTC4合金实测数据1级0级1.47±0.39%符合ISO规定的要求指标≤1级≤1级≤5%阴性图1钛合金脊柱板金相组织X200图2钛合金髋关节金相组织X200422000年8月航天工艺第4期从表1～3和图1、2看出TC4钛合金脊柱板和TC4钛合金髋关节的化学成分、力学性能、生物学性能和金相组织均符合国标GB�T1381021997eqvISO583222:1993的技术要求。2.2试样制备采用TC4钛合金脊柱板进行多弧离子喷涂TiN。该工序委托北京量具刃具厂,离子喷涂TiN车间,按一般工具喷涂工艺流程执行。因为这类喷涂工艺比较成熟,涂层厚度为5Λm左右,呈金黄色,表面美观,耐磨性好。可使工具的切削性能提高6～7倍。本文对喷涂TiN的TC4钛合金脊柱板进行抗腐蚀性能、显微硬度、涂层结合力、弯曲性能试验并制成喷涂TiN的动物关节、生检样品和骨科手术器械髋臼锉等,实践考核TiN涂层对TC4钛合金的耐磨性、微振磨蚀和接触腐蚀的影响。Parylene聚合物气相沉积表面覆盖工艺:系北京名视城科贸发展公司引进技术,本文向其提供TC4钛合金髋关节,并对气相沉积表面进行抗腐蚀性能和结合力试验。2.3试验设备结合力试验采用INSTRON型试验机、弯曲试验采用ZDM—10t型试验机、显微硬度采用DM—400显微硬度机和ACP—94型数字测量显微镜。金相组织采用MNM—8型金相显微镜,腐蚀试...
