鈦基非晶生物複合塗層的製備與摩擦磨損行為研究

《鈦基非晶生物複合塗層的製備與摩擦磨損行為研究》是依託中南大學，由吳宏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鈦基非晶生物複合塗層的製備與摩擦磨損行為研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：吳宏
• 依託單位：中南大學

項目摘要

鈦合金人工關節植入件的耐磨性差一直是長期困擾其穩定套用的難題，本項目擬採用高功率半導體雷射熔覆技術，通過控制熱循環和工藝最佳化，製備並研究鈦基非晶耐磨生物塗層。主要研究以下內容：第一，通過數值模擬及紅外熱成像觀測，建立雷射能量輸入及冷卻條件與熔池溫度場、熱循環關係的數理模型；第二，揭示熔池溫度場、熱循環對非晶比例分數、非晶/晶體界面特徵的影響規律；第三，研究不同工況下，各種非晶/晶體組織形態塗層的摩擦磨損行為，並闡明其潛在磨損機理。第四，研究鈦基非晶複合塗層力學性能與摩擦磨損行為的相關性，並建立相應的函式模型。通過本課題工作，能夠解決鈦合金人工關節件耐磨性差的難題，加深對非晶複合塗層摩擦磨損行為的認識，完善非晶合金知識理論體系，促進非晶複合塗層實用化。

結題摘要

鈦合金具備高比強度、耐腐蝕性和生物相容性等優異性能，一直是金屬生物材料研究的熱點。鈦合金人工關節植入件的耐磨性差一直是長期困擾其穩定套用的難題，本研究通過採用高功率半導體雷射熔覆技術，調控設計合金成分，控制熱循環和工藝最佳化，製備並研究鈦基非晶耐磨生物塗層。同時，針對鈦合金缺乏生物活性，彈性模量過高等問題，本研究選取鎂、鉭、鉬作為合金元素，製備出一系列用於骨組織修復和替換的新型生物醫用鈦合金。所取得的創新性成果如下： (1)採用雷射熔覆製備出具有良好生物相容性的Ti45Cu41Ni9Zr5和Ti45Cu41Ni6Zr5Sn3（at.%）非晶複合塗層，其耐磨性能明顯優於Ti-30Nb-5Ta-7Zr（wt.%）基體。 (2)通過混料-壓制-燒結的傳統粉末冶金方法製備Ti-Ta二元粉末冶金材料。所製備的Ti-Ta合金具有很高的抗拉強度（>1000 MPa）和較低的彈性模量，同時具有良好的生物相容性。 (3)採用機械合金化和放電等離子燒結相結合的工藝製備了生物相容性優良的Ti-Mg合金，其壓縮彈性模量為36-50 GPa，抗壓強度為1500-1800 MPa。 (4)採用熔煉方法製備Ti-Mo合金，並深入探討了不同（3.2-12 at.%）Mo含量合金顯微組織與力學性能的相關性。 通過本項目研究，在國內外知名期刊，如Materials Characterization，Materials Science and Engineering C，Journal of the mechanical behavior of biomedical materials等，發表學術論文10篇，申請發明專利5項，其中已授權2項，培養碩士研究生3名。參加國內外學術會議，並做口頭報告5次，與新加坡南洋理工大學建立了長期合作關係。