医用钛合金表面的激光冲击微造型工艺及其耐磨性能研究

Biomedical titanium alloy has excellent strength, biocompatibility and corrosion resistance under biological environment, but relatively poor wear resistance. In view of problems during working process of titanium alloy in the body fluid, micro laser shock processing was adopted to treat easy wear area of component surface to solve the technical difficulties with consideration of antifriction and anti-wear performance, realizing shape and performance control of titanium alloy surface, and its wear resistance will be effectively improved. Mechanism of wear resistant performance to the titanium alloy induced by micro laser shock processing is studied, the key factors influencing the friction property will be found out. The influence law of laser process parameters and process conditions on friction performance of titanium alloy is analyzed. Process standards and the wear-resisting property evaluation standard of titanium alloy Ti13Nb13Zr treated by micro laser shock processing are proposed. The laser shock process and friction process will be researched using statistical process control technology to improve work surface wear-resisting property, thereby optimal matching of laser process parameters will be obtained. The project will realize active design and control of titanium alloy surface morphology and mechanical properties, and provide theoretical basis to improve contact condition and bio-friction property of titanium alloy work surface.

医用钛合金具有优良的比强度、生物相容性和生物环境下耐蚀性，但耐磨性相对较差。本项目针对钛合金在体液环境工作过程中存在的问题，提出采用激光微冲击技术在工件受载区域进行微凹坑造型，解决构件表面减摩与抗磨性能难以兼顾的技术难点，实现钛合金表面的控性和控形加工，有效提升其耐磨性能。通过激光微冲击形变与强化对钛合金减磨抗磨性能的影响机理研究，分析影响激光冲击微造型表面耐磨性能改善的关键因素；进行激光微冲击参数及工艺条件对钛合金耐磨性能影响规律研究，建立激光微冲击医用钛合金Ti13Nb13Zr的工艺准则及耐磨性能改善的评价标准；采用统计过程控制技术，实现工艺参数和工件耐磨性能增长的优化匹配。本课题对激光微冲击技术用于医用钛合金构件表面形貌与力学性能的主动设计，改善工作表面接触状态和生物摩擦性能具有重要的理论意义和学术价值。

钛合金Ti13Nb13Zr具有良好的耐腐蚀性、生物相容性、弹性模量低等优点，是人体骨骼替代的首选材料，然而耐磨性差，严重制约着钛合金应用。为了提高钛合金的耐磨性能，本项目采用激光冲击微造型方法对医用钛合金Ti13Nb13Zr耐磨性能进行研究，主要工作如下：.(1) 研究工艺参数对钛合金Ti13Nb13Zr表面冲击变形及力学性能的影响。结果表明：随着激光能量和冲击次数的增加，凹坑的深度、纳米硬度及弹性模量、微观组织的影响层深度逐渐增大，但增幅减小；在凹坑中心处表层晶粒细化程度最大，随着深度的增加，晶粒细化程度逐渐降低。.(2) 建立激光冲击钛合金Ti13Nb13Zr的数值模型，并结合实验结果验证数值模型的正确性；进行多点激光冲击微造型数值模拟，研究激光能量、凹坑间距、凹坑位错对表面形貌、残余应力的影响，为后续微造型减摩耐磨机理提供支撑。.(3) 基于Box-benhken实验设计进行多点激光冲击微造型表面摩擦系数、磨损量拟合分析。研究结果显示：光斑直径0.8 mm表面微造型摩擦系数和磨损质量随着激光能量的增大而增大，而凹坑位错从0 mm增大到0.4 mm，摩擦系数和磨损量逐渐减小；随着凹坑间距的增大，磨损量及摩擦系数先减小后缓增，在间距1.5 mm左右摩擦系数和磨损量最小；对响应值优化分析得出摩擦系数最小时激光能量、凹坑间距、凹坑位错工艺参数为(1.2 J, 1.5 mm, 0.4 mm)，磨损量最小时所对应的工艺参数为(1.2 J, 1.49 mm, 0.4 mm)。光斑直径0.5 mm表面微造型摩擦系数和磨损量随激光能量、凹坑位错的增大而减小，随着凹坑间距的增大先减小后增大；对响应值进行优化分析得出摩擦系数、磨损量的最优工艺参数一致为(1.57 J, 1.27 mm, 0.37 mm)。.(4) 通过改变转速、载荷、磨损时间，探究工作条件对表面摩擦性能的影响。研究结果显示：激光冲击微造型表面摩擦系数、磨损量、磨痕深度及宽度随着转速增大而减小，随载荷及磨损时间的增大而增大。对磨痕表面SEM分析得出表面未处理磨损形式为磨粒磨损、粘着磨损、基体堆积及接触疲劳损坏；光斑直径0.8 mm表面微造型磨损行为主要为轻微的磨粒磨损；光斑直径0.5 mm微造型有轻微的粘着磨损。综上所述激光冲击微造型有效提高Ti13Nb13Zr耐磨性能。