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1、精品名师归纳总结河南科技学院2021 届本科毕业论文 设计）论文题目：等离子体点解沉积的争论现状同学姓名：栗然所在院系：机电学院所学专业：机电技术训练导师姓名：王振宁完成时间： 2021 年 5 月 20 日可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结目 录1.引言.12.等离子体电解沉积的基本原理 .23. 等离子体电解沉积对结构材料的表面强化.33.1 等离子体电解沉积对钢铁的处理3.1.1 电解液体系的挑选 .3.3.1.2 试验装置、弧光放电过程及渗透机理 4.3.1.3 制备的工艺流程5.3.1.渗透层的结构6.3.1.5 渗透层的耐蚀性能7.3.1.6 渗透层的耐磨性能7.3.
2、1.7 渗透层的硬度8.3.2 等离子体电解对铝及铝合金的处理3.3 等离子体电解对钛合金的处理3.4 等离子体电解方法制备生物活性陶瓷层4.PED 过程中的力学问题及其强韧化机理 .135. 等离子体电解沉积方法的进展趋势.146. 终止语 .15可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结致谢.16参考文献 .17摘要等离子体电解沉积 plasma electrolytic deposition, PED）是一种利用等离子体电解进行材料表面处理的新兴技术。本文具体介绍了等离子体电解沉积的机理及其在材料表面改性方面的应用。工件作为阴极的争论，主要集中在对钢铁 材料的处理上，可以利用 PE
3、D 技术对钢铁基体进行快速碳氮共渗或涂覆金属镀层，以提高这些材料的抗磨擦、耐腐蚀等性能,这是本文的争论重点。工件作为阳极的争论多环围着铝、钛等轻金属进行，可以在铝合金、钦合金、镁合金等 轻金属表面制备陶瓷层，挑选含有钙、磷元素的电解液或是在电解液中添加基 磷灰石粉末进行 PED 处理，可以在钛合金表面制备具有生物活性的陶瓷膜，从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合。文中仍对PED 涂层的力学问题、强韧化机理以及等离子体电解沉积进展趋势进行了争论。关键词： 等离子体电解沉积，表面改性，碳氮共渗，陶瓷层可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结AbstractPlasma electro
4、lysis deposition PED） is a newlydeveloped technique of surface treatment on various materials. This article details the mechanism of plasma electrolytic deposition and surface modification in the application. The work piece is researchedby cathode, mainly focused on the processing of steel material,
5、 PED is successful in increasing materials anti wear and anti corrosion ability by saturating carbon, nitrogen into steel. The work piece is researched by anode around the aluminum, titanium and other light metal, can be depositing ceramic layers to lightmetals such as aluminum alloy, magnesium allo
6、y and titanium alloy, Electrolytecontaining calcium and phosphorus is utilized to deposit bioactive film on the surface of titanium alloy to form chemical bond with host bone.The article also PED coating on the mechanical problems, as well as strengthening and toughening mechanism of the development
7、 trend of plasma electrolytic deposition are discussed.Key words：Plasma electrolytic deposition, Surface modification,Carbonitriding, Ceramic layer可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1 引言钢材具有较高的强度和优良的机械加工性，它的产量已成为国家工业化程 度的标志，但钢材有一个极大的缺点 极易腐蚀，往往造成庞大的缺失。铝、镁、钛等有色金属及其化合物比重小、强度高、已成型等优点，在航空航天、 汽车工业等多个领域有广泛应用，但它们耐蚀性、耐
8、磨性较差，限制了使用寿 命和范畴，因此，对这些金属材料进行相应的表面处理，增强其对环境的适应 性和安全性，削减腐蚀延长使用寿命，具有重大意义。表面处理的方法很多， 但传统的方法一般工艺复杂，对设备要求较高，反应时间长，有些产生的废水 污染环境。等离子体电解进行材料表面处理的新兴技术，在特定的电解液中， 假如阴阳两极之间的电压超过肯定范畴，就会发生放电现象，这类电解可以称 为等离子电解 plasma electrolysis） 1。由于放电，在电解液中会产生有别于固态、液态、气态的物质第四态“等离子体”，其基本工作过程为：将待处理的 材料浸入肯定的电解液中作为一个电极，另有一个金属电极作为对应电
9、极，在 两极之间施加直流或其他波形的电压。当电压增加到某一程度时，电极表面发 生放电现象，同时相伴有弧光产生，此时电极表面及其邻近发生复杂的物理、化学变化。可在钢铁材料表面进行快速碳氮共渗、制备金属涂层或复合涂层4 ，7，12 提高其耐磨性、耐腐蚀性、硬度等性能。单一等离子电解沉积技术或复合其他工艺，可在铝、钛等轻金属及其合金表面形成结合坚固的陶瓷层，转变了材料的力学特性，其摩擦磨损行为也发生变化，显著增强了基体材料的抗磨损、耐腐蚀、耐高温等性能。通过处理可使其表面形成各种不同的颜色2，23 。可以在钛合金表面制备具有生物活性的陶瓷膜，从而使植入体与自然骨形成分子水平的化学键合，使之成为生物活
10、性金属1719。争论得出，采纳等离子体电解沉积可以制备钙钛矿结构的电子薄膜20，21,甚至在化学催化方面，也有其应用的报道 13。在 PED 技术的进展过程中，不同的作者对此有不同的命名。工件作为阳极的争论进行得较多，目前，我国已经开展的工作多环围着铝、钛等轻金属进行，称为微弧氧化。工件作为阴极的争论报导，主要集中在对钢铁材料的处理上，由于该技术有处理时间短、工作电压低、处理工艺简洁、试用范畴广等优点，因此应当得到大家的重视。例如等离子体电解碳氮共渗plasma electrolytic nitrocarburising, PEN/C）7，12、阴极微弧电沉积 CMED ）21 等。Yerok
11、hin 等1在 1999 年首次使用等离子体电解沉积 PED）来命名利用电解液中等离子体放可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结电效应制备薄膜的技术，这个命名主要表达了PED 技术的两个重要特点：电解液环境和等离子体放电。本文将对PED 的基本原理、力学特性及其在不同领域应用的争论现状作一介绍，并分析其进展趋势。2等离子体电解沉积的基本原理1977 年， Van 等2 测定了 NaA102 溶液中铝阳极表面放电时，阴极、阳极之间的电势变化曲线，结果如图 1 所示。从图 1 中可以看出，电势在电解液中变化很缓慢，但在电解液与阳极交界处 0.5mm 的范畴内，电势急剧变化。急剧变化的电势
12、导致界面邻近电场强度特别大 106V/m 量级），足以击穿电极邻近的绝缘电介质，产生放电现象。Yerokhin 等人1 认为， PED 过程中电极表面被击穿的介质可以分为电极表面钝化膜和气体膜两种。有电流通过时，金属阳极在电解液中产生绝缘钝化 膜，当电压上升到肯定程度时，绝缘钝化膜被击穿，发生弧光放电现象。另外金属电极表面由于化学 /电化学作用产愤怒体，例如阳极上的氧气、阴极上的氢气等，当生成的气体把工件表面完全包围时，就形成气体膜，气体膜被击穿， 形成了包围金属电极的连续气体等离子鞘层。钝化膜击穿和气体膜击穿是两种 极端的现象，实际的过程很可能是两种过程同时发生。图 1 铝阳极表面放电时两极
13、间的电势变化2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 2 两种典型的电压 电流曲线 1以铝为例 3，铝试件在偏铝酸盐溶液中作为阳极，另一种不参与反应的金属作为阴极。当电流通过时，铝表面生成A12O3 钝化膜。假如电压超过某一临界值，钝化膜被击穿，工件表面将发生放电现象，放电产生的瞬时高温使得铝阳极表面发生了化学变化，生成A12O3 陶瓷相。阳极： 2AlO 2-电解液） Al 2O3涂层） +1/2O2气体） +2e-阳极）或者 3A1O2 -电解液） +A1阳极） 2A12O3涂层） +3e-阳极） 阴极： 2H3O+电解液） +2e-阴极） 2H2O电解液） +H2气体） 其中
14、在阳极生成的 A12O3 不同于一般阳极氧化所形成的钝化膜，由于放电高温的烧结作用，此时以 A12O3 反应烧结的陶瓷相形式存在。对不同材料的工件，电解液的挑选特别关键。当工件作为阳极时，电解液中的阴离子在电场力的作用下向工件表面运动，由于放电产生的瞬时高温，使得阴离子分解，并和基体材料发生反应。冷却后反应的产物凝固在放电通周围。当工件是阴极时，也有类似的反应，不过参与反应的是电解液中的阳离子例如金属离子）。在某些反应中，电解液中与电极电性相同的离子也可以参与反应。例如在制备电子薄膜时电解液中的钡离子参与反应在钛阳极上生成钛酸钡薄膜。在电解液中添加不同的成份，可以转变所制备涂层的硬度、热稳固性
15、颜色。3等离子体电解沉积对结构材料的表面处理对于钢铁基体，可以用 PED 进行快速碳氮共渗、涂覆金属镀层。结合其他的表面处理技术，可以在钢铁表面形成特定性质的防护膜。应用 PED 可以在铝合金、钛合金、镁合金等表面制备陶瓷层。3.1 等离子体电解沉积对钢铁的处理将钢铁作为阴极进行处理的技术有等离子体电解渗透技术、阴极微弧电沉可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结积等，都是 PED 的特殊形式。本文介绍等离子体电解渗透技术。3.1.1 电解液体系的挑选利用等离子体电解渗透技术可以实现渗N，C 及 C-N 共渗PEN/C）电解液的挑选比较简洁，通常由有机化合物、易溶盐和水三部分组成。常用
16、的有机化合物有：甲酰胺 HCONH 2） ,尿素CONH 2） 2、乙醇胺 H 2NCH2）2OH 等，应用以上三种有机物作为电解质可以分别实现渗氮、渗碳和碳氮共渗。由于有机化合物的导电才能比较差，因此常加入一些易溶盐的水溶液来提高溶液的导电性，以便形成稳固的放电电弧。此时形成的溶液是一种双重电解质溶液，即先配制好易溶盐的水溶液，然后再将水溶液加入到有机溶液中，直接将易溶盐加入到有机电解液中是不会溶解的。在此试验中，水溶液的含量对电参数有较1大的影响，常掌握加入的水溶液的体积占总体积的5%10%，如含量少于565%会使临界击穿电压上升，如多于10%会导致电压温度曲线斜率快速上升。现 以甲酰胺
17、和尿素 为例，分析一般的热分解反应。 HCONH 2 在 400700的范畴内，按下式分解HCONH 2 NH 3+COHCONH 2 HCN+H 2O其中 NH 3, HCN 及 CO 进一步分解，产生活性 C, N 原子，并被工件表面吸收：2NH3 3H2+2N2CO CO2+C2HCN H2+2C+2NCO4此介质的分解主要靠弧光放电的电离过程而不是辉光放电过程。对可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结NH 2） 2 而言阳极： NH 2）2CO+H2O N2+CO2+6H+3e-可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结在阳极反应中生成 N2, N2 很稳固，不简洁受热
18、分解，因此在阳极不能供应渗透所需的活性原子。阴极： NH 2）2CO+2H2O+2e- 2NH3+2H2+CO22NH3 3H2+2N在此过程中 NH 3 在阴极表面析出，在不断提高电压的过程中，气体被击穿产生活性 N 原子，为渗透供应了条件，所以在此技术中工件作为阴极。3.1.2 试验装置、弧光放电过程及渗透机理图 3 为等离子体电解渗透装置示意图。该装置由直流脉冲电源、共渗槽、电解液循环冷却系统组成。由于在试验中工件作为电极，加载电压相当于对工可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结件加热，为了防止工件过热而造成工件四周的电解液沸腾，因此要对电解液进行循环冷却，使电解液温度保持在4
19、5以下。整个弧光放电过程分为3 个阶段4 如图 2a）第一阶段 0U1），逐步上升电压，电流逐步增加，此过程符合欧姆定律，试样作为电阻，试样及其四周的液体被加热，电解液温度上升，试样表面产生大量气泡，此时电压在0150V之间。其次阶段 U1U2），连续上升电压，电流增加较快，此时已不符合欧姆定律，这时是气液共同导电。就液体部分而言：电极两端的电压增大，电场增 强，离子运动速度加快而且液体温度不断上升，致使溶液的电导率增大。就气 体部分而言，是由于在热电离和电极间电场作用下，使气体分子产生电离所致。气体分子电离可以产生二次电子，犹如一次电子一样被加速，它也可以使气体分子电离，其结果显现了雪崩式的
20、电子流增大。电流雪崩式增大并相伴有气体发光的现象称为气体放电或气体的击穿。此时的电压称为临界击穿电压，7电压在 150 200V 之间。第三阶段 U 2 U3 ），在气体被击穿稳固以后，电流快速减小18A 3A），此时样品连续放热。在此过程中由于气体放电、电子碰 撞产生大量的等离子体，等离子体虽整体呈中性，但它含有相当数量的电子和离子，因此仍可以导电，但由于气体击穿后产生的稳固连续的等离子体区将工7件与电解液分开，形成气液隔离层 如图 2b），造成只有一种气态形式导电，因此电流变小。此时连续提高电压，电流只有略微增加，增加电压的目的是为了维护试样表面的温度，此时维护的电压称为工作电压。临界击穿
21、电压一般在160V 7 左右，而工作电压一般在200 300V 之间。图 3 等离子体电解渗透装置示意图1. 电源系统 2.电流表 3.电压表 4.冷却系统 5.样品 6.电解液 7.搅拌系统 8.绝缘材料 9.不锈钢的容器 10.冷却水由于弧光放电气体被击穿产生大量的等离子体，等离子体轰击试样表面，可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结离子注入到被处理材料中，产生空位和位错，将导致两方面的影响：一方面， 使工件表面的活性原子的浓度提高。另一方面，强化沿晶内扩散，即位错沿着与轰击表面垂直的滑移面移动，其运动的方向与饱和元素C, N）扩散流的方向重合，从而大幅度提高材料内C, N 原子
22、的扩散迁移速度。离子轰击导致浓度梯度提高和扩散系数的增大，使得非金属扩散系数可提高23 倍，从而使 C 和 N 原子的扩散过程得以强化。在等离子电解渗透技术中等离子体是通过弧光放电产生的，具有比较大的电流密1A /cm2左右4 所以离子的轰击特别剧烈，致使渗透的速度加快，最终实现材料表面快速固溶和化合物强化处理。3.1.3 制备的工艺流程#液相等离子体电解渗碳、渗氮、碳氮共渗处理的制备过程特别简洁。第一用金相砂纸对试样进行逐级打磨，最终一道采纳粒度为1 000 的砂纸，具体工艺流程如下：试样打磨丙酮擦洗等离子体渗透水洗酒精擦洗自然干燥。3.1.渗透层的结构Nie X 7 和 G Tsotsos
23、8 应用液相等离子体电解碳氮共渗技术处理AISI316 不锈钢，在 230 V 和 250 V 的工作电压下处理试样1min，得到的结果说明：在230 V 的工作电压下，由于处理的温度比较低，所以奥氏体扩散层的晶粒尺寸和晶界没有转变，在 250 V 下处理的工件表面由单一的扩散奥氏体相 长）到多相结合，仍有 23 m 的化合物层 FeFe, Cr）24、和 Fe, CrN, C）x，以及5060 m 的再结晶的扩散层 图 4 所示，不同的放大倍数）。对于 250 V 处理的试样，试样表面温度很高，在处理终止以后，快速关掉电源，用电解液进行快速淬火，向内部扩散的 C, N 在晶界处没有沉淀出 C
24、 和 N 的化合物，而保持着再结晶晶粒的固溶体。M. Tarakci8 等人对应用等离子体电解渗碳技术处理纯铁，加载工作电压210 V 处理 5 min 和 30 min, 得到 20 40 u m 的渗透层 如图 5 a 和 b 所示）。渗透层的相组成包括： -Fe, Fe3C, Fe。田占军 10 以应用等离子体电解碳氮共渗技术处理 Q 235 钢，加载工作电压为 150 V，处理 0. 5 min 和 1 min，就得到3060 m 的渗透层 9 如图 6a和 b 所示）。渗透层的相组成包括： a -Fe, Fe3C,Fe5C2 ,.Fe23N, r-Fe。对 Q235 钢进行等离子体电
25、解渗氮处理 10 ，加载电压160 V , 170 V ，处理时间 3 min ，渗层形貌如图所示，白亮的外层为化合物层. 相Fe23N）。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 4250v,1min 条件处理的 A IS I316 小锈钢的光学照片图 5 不同条件下处理的纯铁SEM 形貌图不同条件下处理的Q235 钢 SEM 形貌图不同电压下Q235 钢渗氮处理的SEM 形貌3.1.5 渗透层的耐蚀性能聂学渊4 对 20 钢在 220 V 电压下处理 3min 后的试样和未处理试样进行了耐腐蚀性能测试。将试样浸入 0. 1 mol/L 的硫酸溶液中 10min，然后加载沟通电压。
26、比较感应电流的耐腐蚀极化电阻值Rc） ,结果说明处理过的试样耐蚀性提高了 30 多倍。田占军等 10 将基体和处理的试样浸泡在 w =3%的 NaCl 溶液进行可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结耐蚀性测试，密封浸泡400 h。试样结果说明：浸泡后基体的腐蚀增重是2. 22 mg /mm2，应用等离子体电解碳氮共渗技术150V、lmin 处理的试样的腐蚀增重是 1. 80 mg /mm2，可见处理过的试样比基体的耐蚀性好。3.1.6 渗透层的耐磨性能4聂学渊 等人通过 MM -200 磨损测试仪对处理压力相同和运行速度稳固的情形下，对相同运动距离经过渗透处理和未处理试样的耐磨时间进
27、行比较，结果表 明处理过的工件具有较好的耐磨性。Yerokhin 和 C. Tsotsos11 等人对 AISI304 不锈钢进行 PEC /N 处理，以碳化钨、SAE52100 铬钢为摩擦副进行往复试验，在载荷2. 5 N、滑动位移 250 m、5310振幅 10 mm、频率 5 Hz 的条件下，磨损率分别为 112 10-4mm3/Nm）、91010mm /N m）。田占军等应用等离子体电解碳氮共渗技术在150V , 1 min 条件下处理的试样进行了耐磨性测试，加载压力为29.4N，对磨件的转速为125 r/min 、周长为 8. 2 cm ,磨损时间为 70min，每 10 min 测
28、量一次磨损质量。试验结果说明：在 50min 内处理过的试样与基体相比具有更好的耐磨性，超过50min 后耐磨性与基体相同 渗透层被磨透露出了基体），如图8 所示图 8 渗透层磨损时与磨损量的关系3.1.7 渗透层的硬度11经过等离子体电解渗氮 /碳处理可以提高表面层的硬度。以钢在表面温度820 摄氏度条件下得到 200m 碳氮渗透层为例，其白色外层 化合物层）的最高硬度达 13 GPa。A.L Yerokhin 和 A Leyland等对 A IS I304 处理，用努普显微压痕硬度试验仪测量表层硬度 加载载荷 10 g），表层的硬度最高可达1380HK0.0120 聂学渊对 20 钢4 进
29、行处理，采纳71 型显微硬度计，测得渗透层的硬20度最高可达1200 HV0.1 。M. Tarakci等人对纯铁进行处理，渗透层的最大硬可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结度为 850 HV0.1 ，而基体的硬度为 15 0 HV0.1 。田占军等 10对 Q235 钢进行碳氮共渗处理，渗透层的最大硬度为770 HV0.1，而基体的硬度为 170 HV0.1。Yerokhin 等 12 通过将 PEN/C 和 等离 子体 浸入离子 帮助 沉积 plasma-immersion ion-assisted deposition, PIAD）结合起来，在不锈钢表面制备梯度复合涂层。第一
30、采纳 PEN/C 工艺处理不锈钢试样，在其表面获得 1560） m 厚的扩散渗氮 /碳层，然后在其上用PIAD 工艺制备类金刚石 diamond-likecarbon,DLC ）涂层。由于复合涂层中的碳氮共渗层提高了基体的承载才能，用此复合工艺所制备的涂层，与其中任何一种工艺单独处理所得的涂层相比较，性能都要优越，特殊在法向压力较高的摩擦状态下表现尤为明显。杨晓战等 13 在 Fe25CrAl 合金表面预先沉积一层具有较高电阻的氧化物薄膜，然后将其作为阴极置于ZrNO3）和 YNO 3）3 的无水乙醇溶液中，施加脉冲恒压电源，使得预先制备的绝缘氧化物薄膜击穿产生微弧放电，在阴极表面制备了厚 3
31、00 m 与基体结合良好的钇稳固氧化锆 YSZ）陶瓷涂层，此种工艺被作者命名为阴极微弧电沉积技术是PED 技术的一种。利用等离子电解在钢铁材料表面制备涂层的方法仍有其他的形式，用低碳钢作为基体材料作为阴极，用14的 NaHCO3 溶液电解液，对低碳钢试样进行 等离子电解清洗。清洗后的试样分别浸入nSO4 溶液， ZnSO4+Al 2SO4）3 溶液，以试样作为阴极进行等离子体电解沉积，在钢铁材料表面制备了厚度在10 20）m 之间的 Zn ,Zn-Al 涂层，提高了基体材料的耐腐蚀性。这说明等离子体电解除了可以在金属表面制备陶瓷层以外，仍可以用来在金属表面制备金属 涂层。3.2 等离子体电解沉
32、积对铝及铝合金的处理不同的合金成份不同电解液，相同电解液不同浓度对PED 陶瓷层的生长行14为有不同的影响，随着处理时间的增加，表面膜层厚度随之增厚。薛文斌等以 2024 Al-4.3Cu-1.5 Mg 铝合金为基体， 5 10） g/L 的 NaOH 溶液作为电解液，测定了 PED 过程中陶瓷层的厚度随处理时间的变化，结果示于图9 其中 h 是总厚度， a 是陶瓷层向基体外部生长的厚度， b 是陶瓷层向基体内部生长的厚度。从图 9 中可以看出，陶瓷膜的生长在初期以向外生长为主，经过肯定时间后转变为向内生长为主。处理时间对PED 陶瓷层的表面粗糙度、表面放电气孔的大小等也有影响。可编辑资料 -
33、 - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 9 铝合金表面陶瓷层的生长曲线14不同的工艺条件下所制备的PED 涂层，通过扫描电子显微镜 SEM）观看发觉，在表面处形成多孔疏松层，而内部呈致密外形，陶瓷层的微观组织结构在厚度方向有肯定程度的变化。PED 在铝合金表面形成陶瓷层硬度很高，由于涂层微观结构随厚度的增长而发生转变，因此其力学性能也随之显现了一些相应的特性。如前所述，PED陶瓷层外部多孔，中间致密，因此在摩擦时也表现出相应的特性。Nie 等15 进行了干砂橡胶轮磨损试验，对比了未经处理的铝合金、经PED 表面陶瓷化处理的铝合金、不锈钢的磨损性能。图10 是样品 1涂层厚度 150 m）、样品
34、2涂层厚度 250 m）、未经处理的铝基体、不锈钢的4 条失重曲线。厚度不同的PED 陶瓷层在摩擦初始阶段 1000 转以内）失重曲线差别明显， 1000 转以后区别不大。这可能是由于1000 转以内磨损的是外部疏松层， 1000 转以后磨损的是中间致密层的缘由。经过PED 陶瓷化处理的铝基体的耐磨性比钢铁、铝都要高，耐腐蚀性也有所增强。文献6 用纳 M 硬度仪争论了 2024 铝合金表面 PED 陶瓷层的纳 M 硬度和弹性模量在厚度方向上的分布，结果示于图11。依据 X 射线衍射分析对陶瓷层的争论结果，陶瓷层主要由 -Al 2O3 和 -Al 2O3 组成。 -Al 2O3 的含量在距离涂层
35、与基体的交界 50 m 处最大，然后随着距交界处距离的增加而削减，至涂层表面 减至最少。他们认为 -Al 2O3 和 - A12O3 都是由熔融态的 Al 3 凝固而成，外层冷却率高，故而亚稳态的 相含量较多。内层冷却率低，故而稳态的相含量较多。争论结果说明纳 M 硬度和弹性模量随厚度的变化关系与同一厚度处的- Al 2O3 含量呈正相关关系可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 10 不同材料的摩擦失重曲线网可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 11 铝合金表面 PED 陶瓷层纳 M 硬度及弹性模量在厚度方向的分布21可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结
36、3.3 等离子体电解对钛合金的处理Yerokhin 等14 在各种不同的电解液中对钛合金进行PED 处理，并争论了所制备的 PED 陶瓷层的各种性质，图12 示出了其硬度和划痕试验的结果。争论说明由偏铝酸盐和磷酸盐组成的电解液所制备的陶瓷层主要由硬度较高的Al 2O3、金红石相的 TiO2 和 A12TiO5,组成，硬度最高，约为基体材料的2 倍。在含有硅酸盐的电解液中所制备的陶瓷层由于多孔，导致硬度的试验数据起伏较大，其硬度值低于在偏铝酸盐和磷酸盐溶液中形成的陶瓷层。而在磷酸盐以及偏铝酸盐和硫酸盐溶液中所形成的涂层较薄，其组份主要是硬度较低的锐钛矿以及未被氧化的钛基体，因此硬度最低，只稍高于
37、基体合金。在划痕试验中，临界载荷的大小与涂层和基体之间的结合性能相关，由图 12b）可以看出，偏铝酸盐和磷酸盐溶液中，涂层和基体的结合性能最好。15 / 23可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 12 钛合金在不同的电解液中得到的PED 陶瓷层的力学性质。其中Al-P ：偏铝酸盐和磷酸盐溶液。 Al-Si ：偏铝酸盐和硅酸盐溶液。Si：硅酸盐和氢氧化钾溶液。P：磷酸盐溶液。 Al-S ：偏铝酸盐和硫酸盐溶液28图 13 钛合金表面 PVD/PED 复合陶瓷层的硬度16Ni. 等16把 PED 技术和物理气相沉积 PVD）复合起来处理钛合金，在钛合金表面制备了梯度结合的陶瓷层。第一
38、用PED 技术在钛合金基体上制备一层TiO2 膜，然后在其表面用磁控溅射技术制备CrN）涂层。为了增强 PED 陶瓷层的致密性， PED 工艺分两步进行：第一步用正向电压400 V，负向电压 100 V处理 10 min，其次步用正向电压 140 V,负向电压 140 V 作用3 5） min。在其后的 PVD 过程中，以 Cr 为靶材，经过 PED 处理后的钛合金作为基体。固定r 的流量，在不同的 N2 流量下026）cm3/min）进行磁控溅射，在基体表面制备 CrN）陶瓷层。作为对比，在未经PED 处理的钛合金基体上也进行了PVD 沉积。经过处理的各种试样在3 种不同载荷下测得的努氏硬度
39、示于图13。其中试样 17 为 PVD/PED 复合沉积，试样 1 的 N流量为 0，试样 7 的 N2 流量为26 cm3/min，从试样 1 到试样 7, N 2 流量依次增加。试样 8 为单一 PVD 沉积，其沉积参数与试样 6 的参数相同， N2 流量为 21 cm3/min。对比试样 6 与试样 8， 可以发觉在载荷较低 l0g ）的条件下，所得努氏硬度几乎相同。但在载荷较高50g, 100g）的条件下， PVD/PED 复合沉积所得的陶瓷层硬度比单一 PVD 沉积所得的陶瓷层硬度明显提高。销一盘磨损试验也证明在高压力条件下复合沉积的试样比单一沉积的试样抗磨损才能明显增强。在硬度较高
40、的 CrN ）陶瓷层与相对较软的 Ti 合金基体之间，增加一个硬度介于二者之间的 TiO2 过渡层，形成梯度结合的陶瓷层，可以承担更大的载荷，从而表现出更加优越的抗磨损性能。此外，冲击试验、腐蚀试验也都证明复合涂层的性能比单一 PVD 涂层优可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结异。Wenbin Xue薛文斌）等用 10 g/L 的 NaAlO 2 溶液作为电解液，处理钛合金5h 得到一层陶瓷膜。 X 射线分析说明，膜的外层主要由TiAl 2O5 金红石相的TiO2 组成，前者占比例较大。内层金红石相的TiO2 占主要比例。3.4 等离子体电解方法制备生物活性陶瓷层钛合金的密度小、强
41、度高，具有很好的生物相容性，是应用最早的生物医学材料。但是钛合金是一种生物惰性材料，与骨的结合方式属机械嵌合，而不像生物活性材料那样与骨形成分子水平的化学键合，因此钛及钛合金的生物活化处理就特别必要，目前已有多种方法可以对钛及钛合金进行生物活化处理， PED 技术是其中较新的一种。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结钛合金表面自然形成的 Ti 2 钝化膜，诱导磷酸盐沉积的才能极差，甚至不能诱导，但含有钙和磷的 Ti 2 膜具有诱导骨状磷灰石形成的功能。憨勇等人17可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结配置了不同的比例的钙盐和磷酸盐溶液，在钛合金表面 PED 制备了含钙、磷
42、的二氧化钛生物薄膜。所得薄膜主要由锐钛矿 Ti 2 和金红石 Ti2 组成，呈内层致密、外层多孔的外形。通过转变电解液中钙、磷的比例以及处理电压等工艺参数，可以调剂生物薄膜中钙、磷的比例，如图 14 所示。模拟体液中的浸泡实验说明，在肯定的 PED 工艺条件下，含有 CaTi 3、-Ca2P2 7 和 -Ca30P384）2 可以诱导磷灰石层的形成，表现出了生物活性 。文献18把钛合金经 PED 处理，在其表面形成含有钙、磷的二氧化钛膜，然后在肯定条件下进行水热处理，即把样品置于PH 值为 11、12 的氨水中，在密封压力容器内高温处理 2 4） h，以期使膜中的钙的磷酸盐转化成羟基磷灰石。X 射线衍射分析的结果说明，经复合处理后钛合金表面的确形成了含有羟基磷灰石的薄膜，因而具备了生物活性。图 14 不同的电解所形成的ED 薄膜中钙 /磷比随电压的变化 17Nie19 把 PED 技术和