等离子渗氮/激光织构化改善Zr-2.5Nb表面摩擦磨损性能研究

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锆铌合金以其良好的力学性能、生物相容性、耐腐蚀性能以及较低的弹性模量,越来越多的应用于生物医用领域。然而,其表面硬度低,耐磨性较差,影响了锆铌合金种植体在人体内的使用寿命。因此,提高锆铌合金的耐磨性已经成为临床应用中亟待解决的关键问题之一。本文将等离子渗氮技术(PN)与激光织构化技术(LT)结合,对Zr-2.5Nb合金进行PN、LT、PN/LT和LT/PN多种改性处理,以提高其表面硬度及耐磨性。XRD物相分析结果表明,经过PN、LT/PN和PN/LT改性处理后,Zr-2.5Nb合金表面均生成了 ZrN和Zr3N4。EDS能谱分析也进一步证实了这一结果。经LT或LT/PN以及PN/LT处理后,样品表面形成了织构化结构。不同改性工艺获得的表面粗糙度表现出一定的差异。SEM结果表明,经PN和LT/PN改性处理后,样品表面形成了一层均匀致密的氮化层。经改性处理后,锆铌合金的表面能显著提高,对SBF溶液的接触角显著减小,表明经过四种工艺处理后,锆铌合金的表面润湿性能得到了明显改善。与LT和PN/LT处理的样品相比,PN和LT/PN处理的锆铌合金具有更优良的润湿性能。四种改性处理均显著提高了 Zr-2.5Nb合金的表面硬度。其中,LT/PN和PN/LT的效果最佳。同时,改性处理提高了 Zr-2.5Nb基体的耐磨性能。综合分析,LT/PN处理工艺更能有效的提高Zr-2.5Nb合金基体的耐磨性能。Zr-2.5Nb基体的磨损机理表现为黏着磨损、磨粒磨损和氧化磨损相结合的特征。经LT/PN改性处理的样品则表现出典型的磨粒磨损特性。电化学腐蚀研究结果表明,PN、PN/LT和LT/PN处理后,腐蚀电流密度和腐蚀速度均明显降低,表明这三种处理工艺均能有效提高Zr-2.5Nb合金在SBF溶液中的耐腐蚀性能。
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