摘要
β钛合金以其良好的生物相容性、高比强度和低弹性模量已成为目前生物医用材料领域研究的热点。但其在人体服役过程中，仍存在疲劳强度差，抗磨损性能和抗腐蚀性能不足的问题，严重缩减了使用寿命。因此，对β钛合金进行表面改性是扩大其使用范围的关键。 本论文以亚稳态β钛合金Ti-15Mo(TB11)为研究对象，采用机械锤击和高温退火对TB11合金进行表面纳米化。通过XRD、OM、SEM等分析测试方法考察不同锤击时间和退火温度对TB11合金表面组织和微观结构的影响，探讨TB11合金表面纳米化的形成机理;建立机械锤击TB11合金的疲劳寿命数值模型;通过纳米压痕、摩擦磨损和电化学实验表征TB11合金表面纳米化后显微硬度、耐磨耐腐蚀性能，并揭示其变化机制。 通过机械锤击和高温退火实现了TB11合金表面纳米化。结果表明:TB11合金表面晶粒尺寸随锤击时间增加呈梯度减小，随退火温度升高呈先减小后变大的趋势，其中锤击30min+650℃的晶粒尺寸最小，为14.64nm;塑性变形层厚度随锤击时间增加呈先增大再趋于平稳的趋势，变形层最大值为350μm;TB11合金表面纳米化主要归因于晶粒内部的孪生变形和位错滑移。 通过HB-1000A型显微硬度仪对试样进行了测量;以ABAQUS和Fe-safe软件为平台，建立了TB11合金疲劳寿命有限元分析模型;采用CMT-1型试验机对TB11合金摩擦磨损性能进行了测试，并利用销-盘磨损模型表征了具体磨损情况。结果表明:锤击处理后TB11合金显微硬度显著增加，且随深度呈梯度变化。随着退火温度的增加，材料表面的硬度先变大后变小。与原始样品相比，锤击40min最表层的硬度提升了约42.5％。当晶粒尺寸不小于30.84nm时，硬度与晶粒尺寸符合Hall-Petch公式;在一定范围内，随着锤击次数的增加，TB11合金疲劳强度会逐渐提高。当锤击次数由1次增加到3次，冲击点疲劳寿命提高了约42％;锤击与退火处理显著增强了TB11合金耐磨性，锤击30min+650℃退火的TB11合金的耐磨性最好，相对耐磨性提高了2.33倍。尤其在高载荷下，耐磨性能增强特别明显。TB11合金表面纳米化处理后耐磨性提高主要归因于晶粒尺寸的细化和残余应力的引入。当晶粒尺寸减小到32.21nm，磨损深度比原始晶粒降低了约29％。 采用电化学工作站PARSAT4000对TB11合金在0.9％NaCl溶液和0.2％NaF溶液中的腐蚀行为进行了探究。结果表明:锤击与退火处理能显著提高TB11合金耐腐蚀性，锤击30min+650℃的耐腐蚀性能最好，自腐蚀电位正向移动了0.29V，自腐蚀电流密度降低了188.75nA/cm2。耐腐蚀性提高主要归因于纳米化后TB11合金表面反应活性的增加，表面易于快速形成均匀致密的钝化层。
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