医用材料聚醚醚酮等离子喷涂表面改性研究进展

聚醚醚酮材料(PEEK)具有良好的生物相容性、化学稳定性、X射线可穿透性及优异的力学性能,广泛用于创伤、脊柱和关节等生物医疗领域。然而,PEEK属于生物惰性材料,其骨整合性不足,这在一定程度上限制了该材料在骨修复与替换等领域的发展和应用。等离子喷涂技术由于工艺简单、经济,喷涂涂层的黏结强度高等特点,是解决聚醚醚酮材料骨整合能力不足的重要表面涂层改性技术。首先,简述了等离子喷涂工艺的涂层沉积机理,并分别对等离子喷涂钛以及羟基磷灰石两种常用涂层进行了介绍;其次,从不同喷涂工艺以及喷涂参数对涂层的影响出发,详细介绍了近几年对PEEK基等离子喷涂涂层的结合强度等机械性能的最新研究进展,并对等离子喷涂过程对PEEK基体的机械强度、疲劳强度、热性能和化学降解等初始性能影响进行了总结与评价,详细介绍了PEEK基等离子喷涂涂层体内外生物性能的最新研究进展;最后,展望了等离子喷涂改性PEEK基材料的临床应用前景,以期为未来设计新型PEEK基生物材料提供理论指导。

小型绕线功率电感磁芯材料及其表面金属化工艺研究现状

小型绕线功率电感的主要结构包括磁芯和线圈.目前市场上主要使用镍锌材料和合金材料作为磁芯的主要材料,合金材料作为近年新开发的材料,在各方面性能上有明显的优势.随着合金材料技术的逐渐完善,合金材料将逐渐取代镍锌材料.电极金属化是小型绕线功率电感制作工艺中的重要环节,本文介绍了目前市场上主流的两种电极金属化工艺,比较了其膜系结构以及工艺流程的差异,其中真空镀工艺比电镀工艺在薄膜综合性能及环保要求上具有一定的优势,是未来主流磁芯电极表面金属化工艺.

气体温度对ZM6基体表面冷喷涂6061铝合金涂层性能影响

使用氮气在高压(5 MPa)条件下,通过调节工作气体温度(400、500、600℃)在ZM6基体上制备了大厚度6061铝合金涂层,再选择最佳温度条件下制备的6061铝合金涂层与块体6061铝合金同时进行摩擦磨损实验。利用光学显微镜、扫描电镜、三维轮廓仪对涂层以及磨损后磨痕形貌进行表征。结果表明:500℃条件下制备的6061铝合金涂层综合性能最佳,孔隙率1.89%,显微硬度78.18 HV0.1,涂层与ZM6基体的结合强度超过62 MPa。在不添加其他硬质相的情况下,单组分6061涂层仍能保持与块体6061铝合金相近的耐磨性能,既有黏着磨损又有磨粒磨损。

原位表面改性的纳米WC/AlSi10Mg合金增强机制

采用静电自组装工艺合成-系列不同纳米WC含量的表面改性Al Si10Mg粉末,并使用激光选区熔化(SLM)技术制备纳米WC/AlSi10Mg复合材料。结果表明,SLM制备的纳米WC/AlSi10Mg材料中形成多种Al-W金属间化合物相,通过(002)(α(Al))//(104)Al_(5)W的取向关系,证实具有4.7%的低晶格失配度的Al/Al5W可形成良好共格界面。纳米WC颗粒和Al-W相可促使柱状晶转变为等轴晶,获得精细的等轴晶组织。同时,SLM制备的3%(质量分数)纳米WC/Al Si10Mg复合材料具有最优的力学性能,抗拉强度为(464.1±8.68) MPa,伸长率为(5.6±0.95)%。此外,与其他WC/AlSi10Mg复合材料相比,SLM制备的3%WC/AlSi10Mg样品的平均摩擦因数和磨损率最低,分别为0.429和3.842×10^(-5)mm^(3)/(N·m)。力学和磨损性能的提升主要归因于晶粒细化和第二相析出强化作用。

组织工程用磷酸钙浆料的制备及其粘度研究

随着人工骨替代移植物的日益需求,组织工程用支架应运而生。组织工程用支架的制备工艺及其材料种类是决定其能否在临床骨科应用的2个关键因素。为了探究磷酸钙浆料的粘度影响因素,进行了固含量、聚羧酸钠盐分散剂种类及其含量对BCP浆料的粘度的影响规律研究,还进行了原材料粉末的表征和磷酸钙浆料的制备及其性能研究。通过动力学粘度测试结果可知:当固含量为52vol%时,手动搅拌BCP浆料比较顺畅,且不至于因为粘度过高而无法进行后续支架的挤出成型;2种聚羧酸钠盐分散剂在原材料粉末的干重为0.6wt%时,由于5040参与配制的BCP浆料比OROTAN 731A的粘度值更低,表明5040的分散效果比OROTAN 731A更佳,为下一步组织工程支架的制备奠定了良好的基础。

Cu含量对激光选区熔化CoCrMoCu合金微观组织及表面摩擦磨损性能的影响

目的阐明不同Cu含量对激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)制备的CoCrMoCu合金微观组织的影响及其在表面摩擦磨损和腐蚀性能使役行为方面的作用。方法采用CoCrMo合金粉和纯Cu粉通过行星球磨机进行机械混合,制备了Cu质量分数为2%、4%、6%的CoCrMo/Cu混合粉末,并通过SLM技术制备相应的试样。对不同Cu含量的SLM CoCrMoCu的相组成、微观结构、硬度、摩擦磨损和腐蚀性能进行检测和分析。结果Cu含量对SLM CoCrMoCu的相组成和微观组织没有明显影响,在不同Cu含量的试样中,试样的微观组织均主要为胞状等轴晶。在力学性能方面,随着Cu含量的升高,试样的硬度先提升后降低,在含2%Cu的情况下达到最大值(429.2HV0.2),在含6%Cu的情况下达到最小值(367.7HV0.2)。CoCrMoCu的摩擦因数和磨损率随着Cu含量的升高而降低,在4%时摩擦因数和磨损率达到最低(2.7×10^(-5)mm^(3)/(N·m)),摩擦磨损性能最好。随着Cu质量分数进一步增加到6%,由于硬度降低,磨损性能下降,试样表面出现沟壑,影响Cu自润滑层的附着,磨损机制由黏着磨损向磨粒磨损转变,导致摩擦因数和磨损率增加。在腐蚀性能方面,腐蚀电位随着Cu含量的升高而升高,而腐蚀电流随着Cu含量的升高呈现先下降后上升的趋势,在4%时达到最佳的腐蚀性能。结论Cu的引入在一定范围内(2%~4%)可以有效提高CoCrMoCu合金的硬度和腐蚀性能。结合Cu的自润滑效应和类钝化效应,实现CoCrMo合金耐磨性能和腐蚀性能的协同提升。

镀铝表面改性7YSZ纳米热障涂层热震性能分析

为提高7YSZ纳米热障涂层的热震性能,实验中采用超音速火焰喷涂(HVOF)在涡轮叶片模拟工件上制备了粘结层NiCrCrAlYTa,再使用大气等离子喷涂(APS)在粘结层上制备了7YSZ纳米陶瓷层。采用磁控溅射在7YSZ热障涂层样品表面镀铝,并在不同压力下(200、250、300 Pa)对镀铝样品进行热处理表面改性。对喷涂态样品和镀铝改性后样品进行水淬热震实验,1050℃保温10 min+水冷5 min为一个热循环,观察热障涂层镀铝改性前后样品在水淬热循环过程中形貌和结构演变。实验结果表明,镀铝改性后样品表面存在铝薄膜蒸发、凝固后形成的疏松纳米Al晶粒表层以及由Al和ZrO_2原位反应形成的致密α-Al_2O_3底层。在镀铝样品热处理过程中,随着压力升高,疏松层致密度逐渐增加。不同热处理压力下镀铝表面改性后样品经过73次水淬热循环后剥落面积均小于喷涂态样品,显示出良好的抗热震性。

钛合金表面Ti-TiN-Zr-ZrN多层膜制备及性能

采用多靶位真空阴极电弧沉积技术,在TC11钛合金表面制备24周期的Ti-TiN-Zr-ZrN软硬交替多元多层膜。用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计、结合力划痕仪、球-盘摩擦磨损试验仪、砂粒冲刷试验仪和3D表面形貌仪,研究多层膜的表面及截面形貌、相结构、厚度、硬度、膜/基结合力、摩擦磨损性能和抗砂粒冲蚀性能。结果表明:所制备TiTiN-Zr-ZrN多层膜厚度约为5.8μm,维氏显微硬度为28.10GPa,膜基结合力为56N;TC11钛合金表面镀多层膜后耐磨性提高了一个数量级,体积磨损率由7.06×10^(-13) m^3·N^(-1)·m^(-1)降低到3.03×10^(-14) m^3·N^(-1)·m^(-1);多层膜软硬层交替的结构,受砂粒冲蚀时裂纹扩展至金属软层时应力的缓冲而出现偏转,对TC11钛合金有良好的抗砂粒冲蚀保护作用。

C/C复合材料高温抗烧蚀涂层的研究进展

C/C复合材料在高温燃气高速冲刷环境中的严重氧化烧蚀限制了其在航空航天等领域的广泛应用,采用抗烧蚀涂层技术是目前提高该材料高温抗烧蚀性能的有效方法。综述了近年来国内外C/C复合材料高温抗烧蚀涂层在玻璃涂层、金属涂层、陶瓷涂层等体系方面的研究进展,总结并评价了C/C复合材料抗烧蚀涂层的抗烧蚀性能测试技术及其研究成果,提出了C/C复合材料高温抗烧蚀涂层在未来研究中潜在的重点发展方向。

DLC膜的生物相容性研究进展及在生物医用材料中的应用

综述了DLC膜的生物相容性研究进展及其在生物医用材料中的应用.生物相容性研究主要在DLC膜的细胞毒性及血液相容性方面进行了阐述;而应用进展主要在口腔修复、心血管介入治疗和心脏病治疗、人工髋关节等承重植入体等方面进行了阐述.最后指出了存在的问题及发展趋势.

AISI 1045钢表面激光熔覆FeCoCrNiAl_(0.5)Ti_(0.5)涂层的界面特性及摩擦性能

激光熔覆高熵合金涂层摩擦磨损行为的研究主要聚焦在涂层表面,鲜有对熔覆层/基体界面区域的摩擦学行为进行研究。为了提高AISI 1045钢的耐磨性,采用激光熔覆技术在AISI 1045钢基体表面制备宏观形貌良好、组织均匀的FeCoCrNiAl_(0.5)Ti_(0.5)高熵合金涂层。利用OM、XRD、SEM、EDS和摩擦磨损测试仪对激光熔覆FeCoCrNiAl_(0.5)Ti_(0.5)涂层的微观结构、物相组成、界面特性和摩擦磨损性能进行研究。通过对FeCoCrNiAl_(0.5)Ti_(0.5)涂层XRD图谱和元素分布分析发现,涂层主要由面心立方(Fe,Ni)相和体心立方相(BCC)形成的共晶组织及其中弥散分布着的NiAl金属间化合物构成。硬度测试表明,从涂层顶部到基体,涂层、稀释区、热影响区和基体的平均显微硬度分别为518±20、561±63、473±81和217±12 HV_(0.2)。涂层/基体界面区域生成了Cr_(23)C_(6),在摩擦过程中会形成一层摩擦层,相比于涂层和基体具有更小的摩擦因数(0.56),磨损率(4.76±0.51×10^(-5)mm^(3)/(N·m))最低,为涂层/界面区域摩擦学行为提供了理论参考。

TiC含量对激光选区熔化Inconel 625合金微观组织及表面摩擦磨损性能的影响

为了提高3D打印镍基高温合金强度、硬度及耐磨性能,使用激光选区熔化技术(Selective laser melting,SLM)制备添加不同质量分数TiC增强Inconel 625合金材料,并对比添加不同质量分数TiC(4 wt.%和8 wt.%)所制备的SLM TiC/Inconel 625试样的摩擦磨损性能。结合X射线衍射仪(XRD),金相显微镜(OM),扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析(EDS)等材料表征手段对TiC/Inconel 625试样的物相分布,微观组织结构及磨损前后的元素分布进行对比分析。结果表明,随着TiC含量的增高,SLM TiC/Inconel 625硬度从325 HV_(0.2)(不含TiC)升高到了587 HV0.2(SLM 8 wt.%TiC/Inconel 625),磨损率也由22.4×10^(-5)mm^(3)/(N·m)下降为9.8×10^(-5)mm^(3)/(N·m)。其中,平均摩擦磨损系数最小的为SLM 4 wt.%TiC/Inconel 625(COF=0.47)。综合对比可以发现通过添加适量的TiC颗粒可以有限改善SLM Inconel 625的硬度及耐磨损性能。

钛合金表面MoS_2-Ti/Cu-Ni-In多层固体润滑膜的制备及其抗微动磨损性能

目的改善钛合金表面抗微动磨损性能。方法利用非平衡磁控溅射技术在钛合金表面沉积MoS_2-Ti/Cu-Ni-In多层固体润滑膜,并与MoS_2-Ti与Cu-Ni-In单层固体润滑膜进行对比。利用扫描电镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机、表面轮廓仪对固体润滑薄膜的形貌、硬度、抗微动磨损性能、磨痕形貌进行分析测试。结果所制备的Cu-Ni-In单层膜与MoS_2-Ti单层膜结构致密,与基体结合良好,MoS_2-Ti/Cu-Ni-In多层膜交替结构清晰,结构致密。MoS_2-Ti/Cu-Ni-In多层膜的硬度大于MoS_2-Ti及Cu-Ni-In单层膜,多层膜的平均微动系数为0.06,MoS_2-Ti单层膜的平均微动系数为0.102,Cu-Ni-In单层膜的平均微动系数大于1.0。在12 000个微动循环周期后,测得MoS_2-Ti/Cu-Ni-In多层膜的最终磨损总量为0.045 mm^3,Cu-Ni-In单层膜的最终磨损总量为37.79 mm^3,MoS_2-Ti单层膜的最终磨损总量为0.296 mm^3,即多层膜的抗微动磨损性能较Cu-Ni-In单层膜改善了2个数量级,较MoS_2-Ti单层膜改善了5倍以上。结论 MoS_2-Ti/Cu-Ni-In多层膜中的多个界面对单层晶粒生长起到了阻挡作用,从而致使交替结构中的单层晶粒得到细化,Cu-Ni-In膜的引入延缓了MoS_2-Ti膜的剥落及其转移,增加了不锈钢球与多层膜间第三体的润滑及减磨效果,多层膜表现出了优异的抗微动磨损性能。

不同粘结层材料的PS-PVD热障涂层热震性能

为探索不同粘结层材料对等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)YSZ陶瓷层的热震性能的影响,采用PS-PVD工艺在DZ40M高温合金上制备了NiCoCrAlYTa和NiCrAlY两种不同的金属粘结层及YSZ陶瓷层,用SEM及XRD等方法表征两种粘结层表面沉积的YSZ陶瓷层的形貌结构、显微硬度及物相,研究了两种涂层的1100℃水淬热震性能及失效模式.结果表明:PS-PVD制备的NiCoCrAlYTa和NiCrAlY两种粘结层均非常致密,陶瓷层均为典型羽毛型柱状结构;NiCoCrAlYTa-7YSZ和NiCrAlY-7YSZ两种羽柱状陶瓷层的孔隙率分别为16.1%和16.5%,显微硬度HV0.025分别为615.8和683.6;陶瓷层的形貌结构及孔隙率、硬度等基本性能,对粘结层成份差异不敏感.1100℃水淬试验结果表明,NiCrAlY-7YSZ涂层的抗热震性能优于NiCoCrAlYTa-7YSZ涂层.失效模式是涂层在频繁的低温-高温热循环中羽柱状陶瓷层内部裂纹萌生和扩展,以及表面花菜头先剥落形成点蚀坑.随着热震次数增加,更多的点蚀坑随机出现并扩大,进而相连后形成大面积剥落区.

表面粗糙度对PS-PVD YSZ陶瓷层性能的影响

采用PS-PVD工艺在预制有NiCoCrAlYTa黏结层的K417G高温合金上制备YSZ陶瓷层;采用万能拉伸试验机、粒子冲刷仪、静态氧化炉等设备测试PS-PVD YSZ陶瓷涂层的结合强度、抗粒子冲刷和抗高温氧化性能;采用SEM和EDS分析涂层表面、截面形貌和元素分布等。结果表明:表面粗糙度对YSZ陶瓷层拉伸结合强度、抗粒子冲刷和抗高温氧化性能的影响很大。随着粗糙度的增大,结合强度先增大而后减小。Ra=0.40μm表面上沉积的YSZ涂层,其结合强度最高,达到23.5 MPa。拉伸断裂发生在涂层内部,并距离黏结层40~70μm的位置。随着表面粗糙度的增大,冲刷速率先减小而后增大,Ra=0.40μm涂层的抗粒子冲刷性能最好,冲刷速率仅为2.8×10^-3 g/g,表面起伏小和孔隙率低是涂层具有良好抗粒子冲刷性能的重要原因。不同表面粗糙度制备的YSZ涂层均能生成致密连续的热生长氧化物(TGO)层。粗糙度大则生长的TGO起伏大,更容易导致局部增厚和应力集中而失效。

不锈钢表面冷喷涂铜涂层制备及性能研究

目的通过工艺的匹配优化,采用冷喷涂技术在不锈钢表面制备高结合强度铜涂层,并研究热处理工艺对不锈钢表面冷喷涂铜涂层组织及性能的影响规律。方法分别以高纯氮气和氦气作为加速气体,通过冷喷涂技术,在1 mm厚的304不锈钢基体表面制备铜涂层。采用光学显微镜(OM)对涂层的孔隙率及微观组织结构进行表征。采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对涂层拉伸断面结构进行分析。借助维氏显微硬度仪、万能拉伸试验机和涡流导电仪测试分析退火热处理工艺对不锈钢基体表面冷喷涂铜涂层硬度、结合强度和电导率的影响规律。结果利用氮气作为加速气体,在薄304不锈钢基体上获得铜涂层困难,涂层形成后,易发生整体剥落。使用氦气作为加速气体,可在薄304不锈钢板表面成功制备结合强度高于81.7 MPa、硬度为99.6HV0.1、孔隙率小于0.1%的高致密铜涂层。退火热处理引起涂层组织再结晶,可显著消除冷喷涂过程中的加工硬化影响。随着热处理温度从300℃上升到500℃,涂层硬度由99.6HV0.1下降至63.7HV0.1。退火温度为400℃时,涂层导电率最优(93.94%IACS)。当热处理温度升高到500℃,涂层导电率异常下降(89.02%IACS),分析认为过高的热处理温度会造成涂层内部氧扩散偏聚,缺陷增加,导致涂层电导率下降。结论相较于氮气作为加速气体,采用氦气作为加速气体进行冷喷涂,可在薄不锈钢基体上制备的涂层具有高致密度、高结合强度的铜涂层。退火热处理对铜涂层硬度和导电性能的影响较大,涂层经过退火热处理后,电导率可以达到和铸态铜电导率相当的水平。

表面粗糙度对PS-PVD热障涂层陶瓷层沉积的影响

研究基于等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)工艺的沉积表面的粗糙度对YSZ陶瓷层结构的影响,初步阐明了表面粗糙度对陶瓷层气相沉积过程的影响和涂层结构的形成规律。采用PS-PVD工艺在预制有NiCoCrAlYTa黏结层的K417G高温合金上制备YSZ陶瓷层;采用SEM、粗糙度检测仪、3D表面形貌仪等方法分析PS-PVD YSZ陶瓷涂层的形貌和结构特征。基体表面粗糙度对PS-PVD涂层结构有很大影响。结果表明:当基体表面粗糙度分别为 R a≤2μm, 2μm< R a<6μm, R a≥6μm时,涂层粗糙度分别在3.5~5,6~10,10~15μm区间;特征表面形貌"菜花头"的直径随着基体表面粗糙度的增加而逐渐增大, d P=38.5μm, d 280S =25.5μm, d 60S =38.7μm, d 24S =102μm, d S=137μm。表面粗糙度主要通过PS-PVD气相沉积过程中的阴影效应来影响涂层生长和形成差异性结构,随着基体表面粗糙度的增加,YSZ陶瓷层受阴影效应影响增大,表面形貌"菜花头"尺寸和柱状结构间间隙增大,形成更加疏松的结构。

陶瓷基复合材料及其环境障涂层发展现状研究

陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMC)具有耐高温、低密度、抗氧化、抗腐蚀、耐磨损等一系列优越性能,被视为新一代高推重比航空发动机高温部件的首选材料。但CMC在应用环境中存在抗水汽氧化性能不足等问题,需要在环境障涂层(Environmental Barrier Coatings,EBCs)的保护下长期服役。首先介绍了陶瓷基复合材料和环境障涂层的整体发展现状,其次分别对陶瓷基复合材料和环境障涂层进行详细论述;综述了陶瓷基体、纤维、界面层和陶瓷基复合材料的研究进展、应用情况以及近些年国内外学者新的研究成果;同时介绍了环境障涂层的研究进展、制备方法,并综述了其失效机理的研究进展;总结了陶瓷基复合材料和环境障涂层当前存在的问题,并对今后研究工作的重点作出了展望。

玻璃纤维表面涂层研究进展

综述了近年来聚合物涂层、有机硅涂层、金属及合金涂层、碳涂层、陶瓷涂层等玻璃纤维及其织物的表面涂层材料的研究进展,重点介绍了各种涂层的制备方式及其特性,对各种涂层材料的特点和应用领域进行了较为详细的比较,最后对玻璃纤维及其织物涂层研究的未来发展方向进行了展望。

表面处理技术对钛合金疲劳性能影响的研究进展

针对钛合金表面硬度较低、耐磨性较差、易高温氧化等缺陷,选择适当的表面处理技术能够使其得以改善。由于钛合金对疲劳性能十分敏感,在表面处理过后,对其疲劳性能有较大影响。因而本文归纳了钛合金表面处理的多种方法,如电镀、化学镀、热喷涂、激光处理、阳极氧化、微弧氧化、物理气相沉积技术等。根据钛合金疲劳断裂现状及表面改性技术的特点,讨论了表面技术的应用、材料的选择和结构的设计对钛合金基体疲劳性能的影响。分析并总结了涂层在疲劳断裂过程起到的作用及影响疲劳性能的的主要原因,展望了未来钛合金表面改性方法、涂层材料及结构的研究趋势。以期为制备高强度、耐摩擦磨损和提升钛合金基体疲劳性能的表面改性涂层提供参考。