氮/镍注入仿生织构化钛合金表面的相形成机理及改性层生物摩擦学性能研究

In this study, aimed at the mechanism and the sequence of phase formation in the process of ion implantation is still not completed well and Ti6Al4V has some faults as a biomedical material, we'll make close study on: 1) The theoretical model, to predict the forming phases and the formation sequence of phase during N+/Ni+ implanted Ti6Al4V substrate, is established. To further validate and optimize the model, the C+/Fe+, N+/Fe+ and C+/Ni+ are implanted Ti6Al4V substrate on the same experimental condition. According to this model, the ion implantation modification layer with the required phases and a high quality can be prepared by preselecting the implantation ion elements/substrate materials. 2) The relationship between the parameters, the sequence of implantation ions and the biotribological properties of the modification layer is studied in order that the modification layer with the required biotribological properties can be prepared by pre-setting the parameters and the sequence of implantation ions. 3) The relationship between the surface morphologies of the modification layer with N+/Ni+ implanted Ti6Al4V substrate and the layer's biotribological properties is studied in order to improve the biotribological properties of the layer, to prolong the service life of the parts made of the layer by predesigning the right bionics surface morphologies and to widen application areas of Ti6Al4V alloy.

本项目针对离子注入过程的相形成及相形成次序的机理理论仍不完善和Ti6Al4V作为生物医学材料存在的不足，1) 构建预测N+/Ni+注入Ti6Al4V表面形成相及相形成次序的理论模型，并把相同实验参数下的C+/Fe+、N+/Fe+和C+/Ni+注入Ti6Al4V表面，以验证与优化模型，以期达到通过预先选定注入元素/基体材料，制备所需化合物相的优质离子改性层的目的。2) 研究N+/Ni+注入参数、注入次序与Ti6Al4V表面离子注入改性层生物摩擦学性能之间的关系，以期达到通过预先设定离子注入参数与注入次序，制备所需生物摩擦学性能改性层的目的。3) 研究N+/Ni+注入Ti6Al4V表面改性层的表面形貌与其生物摩擦学性能之间的关系，以期达到通过设计合理的仿生形貌来提高改性层生物摩擦学性能，延长其制件使用寿命和拓宽Ti6Al4V的应用范围的目的。

1. 项目背景. 离子注入的“注入+同步扩散”的特殊传质过程决定了注入离子在基体中的平衡分布、形成相以及注入改性层的摩擦学特性等。人们针对金属离子注入金属单质后的形成相预测相继提出了Walser-Bene准则、硅化物形成准则、有效形成热等，但这些理论不能预测金属离子注入合金的形成相。Ti6Al4V因其良好的生物相容性被广泛用作生物医学材料、但其摩擦学性能差，磨损中会产生Ti、Al和V黑色碎屑，产生失效。离子注入不能改善摩擦表面形貌，对减摩有限，仿生织构化能获得合适形貌的表面，对减摩具有显著效果。.2. 主要研究内容、重要结果与关键数据. 1) 研究了N+/Ni+注入Ti6Al4V相形成的预测模型，同时以C+/Fe+注入Ti6Al4V来验证该模型。研究发现：Ni+注入的形成相为Ti2Ni，Fe+注入的形成相为TiFe2，未检测到与Al、V相关的形成相，且形成相与离子注入参数、注入次序无关。这些形成相取决于注入离子与Ti之间的有效形成热与结合能，有效形成热与结合能越低，对应相越易形成。. 2) 研究了N+/Ni+、C+/Fe+注入剂量及注入能量与Ti6Al4V表面离子注入层生物摩擦学性能之间的关系。研究发现：随着N+/Ni+、C)Fe+注入剂量及注入能量的增加，改性层中形成相的含量增加，纳米硬度提高，生物摩擦学性能变好。且N+/Ni+、C+/Fe+双离子注入改性层的相关性能都优于单一离子注入改性层的。. 3) 研究了仿鲨鱼皮、仿鲤鱼鳞片及喷丸处理三种表面形貌与N+/Ni+和C+/Fe+注入Ti6Al4V表面改性层生物摩擦学性能之间的关系。研究发现：Ti6Al4V表面处理后，注入离子在基体中形成相的含量明显增大，改性层纳米硬度提高，减摩抗磨性能显著增强。.3. 科学意义. 通过项目研究，构建了N+/Ni+、C+/Fe+注入Ti6Al4V中相形成的预测机制；得出了随着离子注入剂量与能量的增加，改性层的生物摩擦学性能增强；以及仿生织构形貌与喷丸强化表面都能进一步改善离子注入层的减摩抗磨性能等结论。这些都为在Ti6Al4V表面制备适宜的减摩抗磨改性层奠定了理论基础，提供了技术借鉴。