钛合金的表面改性技术.
钛合金材料的表面改性与氧化膜研究
钛合金材料的表面改性与氧化膜研究钛合金作为一种广泛应用于航空、航天、汽车和医疗等领域的重要材料，其优异的性能一直受到研究人员的关注。
然而，钛合金材料在一些特定环境下存在着缺陷，如易氧化、低摩擦系数和抗磨损能力较差等问题。
为了改善钛合金材料的性能，人们着重研究了钛合金表面的改性与氧化膜形成机制。
在钛合金材料的表面改性中，一种常用的方法是通过物理和化学手段改变钛合金表面的形貌和化学组成。
物理上，可以利用机械研磨、喷丸和抛光等方法，消除钛合金表面的污染和缺陷，从而获得更加光滑和均匀的表面。
化学上，可以利用酸洗、溶液腐蚀和离子注入等方法改变表面的化学活性和氧化性能。
这些表面处理手段不仅可以提高钛合金的耐腐蚀性能，还可以提高其附着力和磨损抗力。
与表面改性相伴随的是钛合金材料表面的氧化膜研究。
由于钛合金材料的易氧化性，它们会在空气中迅速形成一层致密的氧化膜。
虽然这层氧化膜可以一定程度上保护钛合金材料免受进一步氧化和腐蚀的侵蚀，但容易造成颜色深浅不一的问题。
因此，人们尝试改变氧化膜的性质和颜色，以提升钛合金材料的外观质量。
目前，研究人员已经发现了许多影响氧化膜形成和性质的因素，如合金成分、制备方法和热处理条件等。
合金成分对氧化膜的形貌和化学组成有着重要影响。
例如，添加铝、铬等元素可以显著改善氧化膜的质量和性能。
制备方法也是关键因素之一，不同的制备方法会产生不同形貌和厚度的氧化膜。
热处理条件直接影响氧化膜的结构和性质。
控制热处理温度和时间可以实现对氧化膜的定制。
除了以上因素，研究人员还发现，表面形貌和微观结构对氧化膜的生成和性质有着重要影响。
例如，通过纳米表面处理，可以生成纳米级别的结构，提高氧化膜的抗蚀性能和紧密性。
同时，微观结构可以调控氧化膜的厚度和颜色，使其具有更好的视觉效果。
通过精细控制表面处理方法，人们可以有效改善钛合金材料的氧化膜性能，延长其使用寿命。
总的来说，钛合金材料的表面改性与氧化膜研究是一门复杂而具有挑战性的学科。
医用钛合金的表面改性
三 医用钛合金的表面改性方法
钛合金表面技术的发展大致经历了3个阶段:
1以电镀、热扩散为代表的传统表面技术阶段 2等离子体、离子束、电子束的应用为标志的
现代表面技术阶段
3现代表面技术的综合应用和膜层结构设计阶段
提高生物活性的钛合金表面改性
为了改善医用钛合金的生物活性，提高其血液相容 性，通常是在钛合金表面制备一层生物活性陶瓷涂 层。 业已研究的生物活性陶瓷涂层体系主要有羟基磷灰 石(HA).氟磷灰石(CFA).β -磷酸三钙甲-TCP ).
医用钛合金的表面改性
目录
一 国内外医用钛合金的研究进展 二 钛合金的表面改性研究 三 医用钛合金的表面改性方法
ห้องสมุดไป่ตู้
四 展望
一 国内外医用钛合金的研究进展
作为医用材料的重要组成部分，目前生物医用钛合金 研究的重点是在保证安全性的前提下寻找组织相容性 更好、耐腐蚀、持久性更好的多用途生物医用钛合金， 主要体现在以下3个方面:
谢谢！
提高耐腐蚀性能的钛合金表面改性
通过表面改性提高钛合金抗腐蚀性能的方 法很多，目前研究、应用较多的包括化学 钝化法、电化学钝化法、溶胶一凝胶法、 离子注入法、等。
四 展望
从仿生原理、组织工程原理、基质控制矿化的 思路出发，兼顾涂层的高耐磨性、优良的耐蚀 性和生物相容性，研究适合钛合金特性的多功 能表面涂层体系，运用新的涂层形成原理开发 涂层制备新工艺，发展和完善金属植入材料表 面涂层性能的评价体系是今后医用钛合金表面 改性的一个重要发展方向。
目前，生物陶瓷涂层制备方法主要 有:等离子喷涂法、电泳沉积法、 离子束溅射法等。
提高耐磨损性能的钛合金表面改性 目前应用的医用钛合金虽然具有优良的耐蚀 性和比强度，但耐磨性较差，为了提高钛合 金的耐磨损性能，通常是利用表面处理工艺 在钛合金表面形成一层耐磨涂层。
钛材料表面改性新技术的开发及应用研究
２ 实 验 结 果
Ｐ ＴＯ处 理 钛 的 表 面 形 貌 Ｓ Ｍ 照 片 （ ｌ ） Ｅ 图 ａ 显
示 ， 面 由均 匀等 轴 晶粒 组 成． Ｔ 处理 钛 的 截 面 表 Ｐ ０ 显微 组织 见 图 １ ｂ ， （ ） 整个 改性 层 由表 面层和扩 散 区 组成 ， 面层 均 匀 致 密 、 合 良好 、 约 ２ 表 结 厚 ～３“ ｍ；
第 ４ 卷
第 ４ 期
材
料
研
究
与
应
用
ＶＯ１ ４， Ｏ ４ ． Ｎ ． Ｄｅ ｃ．２ Ｏ ｌＯ
２０ １０年 １２月
Ｍ ＡＴＥＲＩ ＡＩＳ ＲＥＳ ＡＲＣＨ Ｅ ＡＮＤ ＡＰＰ ＣＡＴＩ ＬＩ ＯＮ
文 章编 号 ： ６ ３９ ８ （ ０ ０ ０ — ５ ９０ １ ７—９ １ ２ １ ）４０ ４—６
１ 实 验 部 分
实验所 用材 料为 宝鸡钛 业股 份有 限公 司生 产 的 Ｔ Ａ２纯钛 棒 （ ０ ， 切割 成 Ｄ ０ Ｄ１ ） 线 １ ×３ｍｍ 试 片 ， 逐 级 磨 到 １０ ２ ０号金 相砂 纸 ， 丙酮 和酒 精进 行超 声波 用
清 洗 ， （ ＨＦ ８ ＨＮＯ。９ Ｈ Ｏ） 液 酸 洗 后 用 ２ 一 一０ 溶
表 现的较 差 的耐腐 蚀性 严 重 限制 了钛应 用 范 围的
进一 步扩 大． 从钛 工业 应用 角度 考虑 ， 要进 一 步解 决 的主要 问题包 括 降低 成 本 、 好 的 耐磨 性 和 耐 蚀性 更 的有 机结合 等． 面 工程 是 解 决 这些 问题 的 有 效方 表 法， 因此 ， 发经 济 有 效 、 开 环境 友 好 的 能提 高 钛 材表
浸 泡试验 后 未检 测 到 腐蚀 ， 取 材 料 表 面 防 护层 在 选
钛及钛合金表面处理方法
钛及钛合金表面处理方法【摘要】钛及钛合金是一种重要的结构材料，其表面处理方法对于其性能和应用具有关键作用。
本文通过介绍机械法处理、化学法处理、电化学法处理、热处理和涂层处理等不同的表面处理方法，探讨了钛及钛合金表面处理的技术特点和应用场景。
这些方法在提高材料表面硬度、耐腐蚀性和增强耐磨性方面发挥着重要作用。
钛及钛合金表面处理的发展前景值得关注，未来可望在航空航天、生物医学和化工领域得到更广泛的应用。
通过不断开发和完善表面处理技术，钛及钛合金的性能和功能将得到进一步提升，为材料科学和工程技术的发展做出贡献。
【关键词】钛及钛合金、表面处理方法、机械法、化学法、电化学法、热处理、涂层、发展前景1. 引言1.1 钛及钛合金表面处理方法的重要性通过合理选择和应用不同的表面处理方法，可以实现钛及钛合金表面的改性和优化，提高其耐磨、耐腐蚀和耐热性能，增强其机械强度和硬度，改善其附着性和润滑性能。
这对于提高材料在特定环境下的工作性能，提高其使用寿命和降低维护成本具有重要意义。
钛及钛合金表面处理方法的研究和应用具有重要的实用价值和经济意义。
钛及钛合金表面处理方法的重要性不可忽视，通过不断的研究与进步，将能为其在各个领域的应用提供更多可能性，并推动其在未来的发展和应用。
2. 正文2.1 机械法处理方法机械法处理方法是一种常用的钛及钛合金表面处理方法，通过机械力的作用，可以改善钛及钛合金的表面质量和性能。
常见的机械法处理方法包括研磨、抛光和喷丸等。
研磨是一种常见的机械法处理方法，通过磨削和切削的方式，可以去除表面的氧化物和杂质，提高表面的光洁度和平整度。
研磨可以分为粗磨和精磨，根据需要选择不同的磨削粒度和压力进行处理。
抛光是一种将表面通过摩擦力进行去除瑕疵，提高表面光洁度和光亮度的方法。
抛光可以采用手工抛光或者机械抛光的方式进行，选择合适的抛光剂和工艺参数可以得到不同的表面效果。
喷丸是一种通过高速喷射金属颗粒或磨料颗粒冲击工件表面，去除氧化皮和提高表面粗糙度的方法。
Ti-6A14V合金表面改性技术
２ ０１ ３正
Ｖｏ １ ． ３ ０ Ｎｏ ． ３
６月
Ｊ ｕ ｎ ｅ
２ ０ ｌ ３
Ｔ ｉ 一 ６ Ａ １ － ４ Ｖ 合 金 表 面 改 性 技 术
谢 杰 ，陈 建 云 ，李子 骏 ，孔 继 周 ，周 飞
（ 南 京 航 空 航 天 大 学 机 械 结 构 力 学 及 控 制 国 家重 点 实 验 室 ，江 苏 南京 ２ １ ０ ０ １ ６ ）
Ｔ ｉ － ６ Ａ １ － ４ Ｖ 合 金 在 各 个 领 域 应 用 时 ，其 性 能 缺 陷 的 表 现 形 式 及 危 害 进 行 了 概 述 ，然 后 介 绍 了 目前 改 善 Ｔ ｉ 一 ６ Ａ １ ４Ｖ合
金性 能缺 陷所普遍采用 的以及具有 创新性 的表 面改性技 术 ，评述 了部分表面 改性技 术的优 缺点 ，最后 提出 了需对
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ａ ｎｅ ｅ ａ ｎ ｄ ｌａ ｆ ｍｅ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ， ｄ ｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｐｈ ｏ ｂ ｉ ｅ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ｔ ｉ — ｉ ｃ ｉ ｎ ｇ ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ
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钛合金表面激光熔覆改性技术
钛合金的磨损机理为塑性变形，显微切削 熔覆层的磨损机理为疲劳磨损和磨粒磨损
20℃下磨损形貌，左边基材，右边熔覆层
7
提高抗氧化性能——激光熔覆TiVCrAlSi高熵合金涂层
高熵合金：具有5种或者5种以上合金元素以等摩尔
比或近等摩尔比混合形成的固溶体合金。具有很好 的力学性能，耐磨耐蚀性能和高温性能。 希望用激光熔覆的方法在钛合金表面制备高熵 合金涂层来提高其高温抗氧化性能。
用细胞培养实验（MTT）测试表面的生物 相容性。 490 nm波长吸收光度可以测量表面的细胞 数量 随着时间延长，细胞数目都是增加的，但 是HA涂层的细胞数量多于钛合金表面。
钛合金表面细胞成梭型，细胞聚集在一起， 较少铺展开；HA表面的细胞铺展开来并相 互联结。可以看出HA表面的生物相容性较 钛合金更好
3
钛合金在应用中存在的一些问题
耐磨性能 钛合金具有比强度高、耐蚀性能好等优点，是航天、航空、汽车、 船舶和化工等部门中广泛使用的结构材料。但是，由于钛合金硬度较 低（约360HV），用在摩擦部位时，易产生磨损而失效，这就阻碍了钛 合金的广泛使用，限制了它在运动构件上的应用。 耐蚀性能和抗氧化性能 Ti是一种很活泼的金属，在常温下钛合金表面会有一层致密的氧化 膜起到保护的作用，但是在高温下，氧化膜会失去保护的作用，导致 钛合金构件因为氧化腐蚀而失效。 生物相容性 钛合金具有较好的生物组织相容性和很高的比强度, 是制备人工骨骼 比较理想的材料。但是纯Ti的机械强度较低，也不耐磨，为了提高Ti的 机械性能，常添加Al、V、Mo、Zr、Nb等元素形成合金，但这是以牺牲 其生物相容性为代价的。这些合金元素会缓慢的释放，对人体造成影 响。
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参考文献
[1]. Fei Weng, Chuanzhong Chen, Huijun Yu. Research status of laser cladding on titanium and its alloys- A review. Materials and Design (2014) 58:412–425 [2]. Xiu-Bo Liu, Xiang-Jun Meng, Hai-Qing Liu, Gao-Lian Shi, Shao-Hua Wu, Cheng-Feng Sun,Ming-Di Wanga, Long-Hao Qi. Development and characterization of laser clad high temperature self-lubricating wear resistant composite coatings on Ti–6Al–4V alloy. Materials and Design (2014) 55:404–409 [3]. Can Huang, Yongzhong Zhang. Thermal stability and oxidation resistance of laser clad TiVCrAlSi high entropy alloycoatings on Ti–6Al–4V alloy, Surface & Coatings Technology, (2011) [4]. D.G. Wang, C.Z. Chen, J. Ma, G. Zhang. In situ synthesis of hydroxyapatite coating by laser claddin. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces (2008) 66:155–162 [5]. Min Zhenga, Ding Fan, Xiu-Kun Li, Wen-Fei Li, Qi-Bin Liu, Jian-Bin Zhang. Microstructure and osteoblast response of gradient bioceramic coating on titanium alloy fabricated by laser cladding. Applied Surface Science (2008) 255: 426–428 [6]. Can Huang , Yongzhong Zhang. Dry sliding wear behavior of laser clad TiVCrAlSi high entropy alloy coatings on Ti-6Al-4V substrate, Materials and Design, (2012)
钛及钛合金表面处理技术和应用
钛及钛合金表面处理技术和应用钛是一种重要的金属材料，具有优异的机械性能、抗腐蚀性能和生物相容性。
在众多的钛制品中，钛及钛合金表面处理技术和应用，是钛材料应用中的重要领域。
本文将对其进行探讨。
一、钛及钛合金表面处理技术1. 电解氧化电解氧化是一种常用的表面处理技术，通过电解过程使得钛表面生成氧化层。
该氧化层具有优异的抗腐蚀性和抗磨损性能，可以保护钛及钛合金表面，在医学领域、航空航天领域等具有广泛应用。
2. 化学镀膜化学镀膜是一种通过化学反应在钛表面附着有机分子的方法，从而生成膜层，从而改善钛及钛合金的耐腐蚀性、生物相容性和机械性能。
此外，化学镀膜技术还可以使得钛表面呈现特殊的光泽和色彩。
3. 等离子喷涂等离子喷涂是一种高效的表面处理技术，通过把金属材料变成粉末后喷涂在钛表面上，从而实现钛和钛合金表面的表面改性。
该技术可以提高钛材料的耐磨性和抗腐蚀性，还可以使得钛表面更好的粘附其他物质。
二、钛及钛合金表面处理应用1. 医学领域钛及钛合金表面处理技术的应用在医学领域中具有非常广泛的应用。
可通过钛及钛合金表面处理技术及应用制造骨植入物、人工心脏瓣膜等医疗设备。
表面处理后，不仅可以提高钛材料的生物相容性，还可以使钛材料坚固耐用、耐磨、不易脱落，并降低钛材料的磨损程度。
2. 机械工程领域钛及钛合金表面处理技术在机械工程领域中也有广泛的应用。
通过电解氧化、化学镀膜和等离子喷涂等表面处理技术能够进一步提高钛材料的耐磨性、抗腐蚀性、耐高温性能以及抗振动性能。
3. 航空航天领域钛及钛合金表面处理应用在航空航天领域，广泛使用于航空发动机、涡轮机、航空船等部件。
表面处理技术能够大幅度提高钛及钛合金材料的耐腐蚀性和机械性能。
另外，在航空航天领域对钛及钛合金表面颜色和表面光泽等要求都比较高，而化学镀膜技术可以满足这种需求。
三、结论钛及钛合金表面处理技术和应用是钛材料应用领域中的重要领域。
通过电解氧化、化学镀膜和等离子喷涂等技术处理后，不仅可以提高钛及钛合金的耐腐蚀性、生物相容性、耐磨性和机械性能，还可以满足航空航天领域对钛及钛合金表面颜色和表面光泽等要求，具有重要的应用价值。
医用钛合金的表面改性
生选择性的化学反应，诱导和促进新生骨组织在其表面生长，使机体长人
羟基磷灰石涂层的金属种植体表面孔洞，在界面上与骨形成牢固的化学结
合，并能抑制金属离子从种植体中释放到周围骨组织。
提高耐磨损性能的钛合金表面改性
钛合金植入件应当具备良好的耐磨性，不会因经常磨损而产生假体松。目前 应用的医用钛合金虽然具有优良的耐蚀性和比强度，但耐磨性较差，为了提高 钛合金的耐磨损性能，通常是利用表面处理工艺在钛合金表面形成一层耐磨涂 层。，常用的耐磨表面涂层有类金刚石碳(DLC)膜、氮化钛(TiN)涂层等。
1 类金刚石涂层
类金刚石碳膜具有先进的化学、电子、光学和力学等方面的诸多优异性能 ，如极高的硬度、化学惰性、低摩擦系数、高阻抗、良好的热传导性和优良的 光学透过性等，因而可以广泛用作医用矫形体的耐磨保护层。
2 TiN涂层
TiN具有高硬度、优良的摩擦磨损性能、良好的化学惰性、独特的颜色，这 些非凡的特点使其在耐磨和耐腐蚀的表面涂层有广泛的应用。此外由于其生物 相容性已得到了医学界的承认，从而也为其在临床医学领域的应用奠定了一定 的基础。
生物医学金属材料
金属材料是生物医学 材料中应用最早的。由金 属具有较高的强度和韧性， 适用于修复或换人体的硬 组织，早在一百多年前人 们就已用贵金属镶牙。随 着抗腐蚀性强的不锈钢、 弹性模量与骨组织接近铜 铁合金，以及记忆合金材 料、复合材料等新型生物 医学金属材料的不断出现， 其应用范围也在扩大。
（5）电化学法
电化学法是用电化学的方法，通过调节电解液的浓度、PH值、反应温度 ，电场强度，电流等来控制反应的制备方法。
优点：
①涂层均匀②制备过程简洁③原料利用率高④工艺简单
缺点：
基膜结合不够高，并且在机理确定和工艺参数的改进等方面还有很多工作。
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层裂纹。超声波在熔池中的空化及搅拌作用能使熔池各
处温度均匀化，改善了熔池的凝固状态，减少了残余热 应力和开裂敏感性。
总结和展望
激光表面改性是一项钛合金表面处理的理想技术，现已
引起各国的高度重视，特别是钛合金在军事及航空航天 以及汽车、医疗等领域的广泛用途，使得该领域的研发
钛合金
钛合金密度小，比强度高，具有良好的耐蚀性
、疲劳抗力，广泛应用于航空航天、国防、汽 车、医疗等领域。然而，钛合金摩擦系数高、 对粘着磨损和微动磨损非常敏感、耐磨性差及 高温抗氧化性差等缺点，制约了它的应用。
有效的解决途径-表面改性：激光熔覆、激光合
金化和激光熔凝技术
激光熔覆
激光熔覆又称激光涂覆或激光熔敷，是一种新型的材料加工和表面改性技术，其实
质是将具有Leabharlann 殊性能(如耐磨、耐蚀、抗氧化等)的粉末先喷涂在金属表面上或同激 光束同步送粉，然后使其在激光束作用下迅速熔化、扩展及快速凝固，在基材表面 上形成无裂纹、无气孔的冶金结合层的一种表面改性技术。
• 经过激光重熔处理后，陶瓷涂 层颗粒细化，片层状组织得以 消失，致密性提高，硬度、耐 磨性和抗冲蚀性能明显提高。
工作倍受关注。
与国外钛合金激光表面改性技术的研究相比，国内有关
的理论和实验研究起步较晚，实际应用还较少，在装备
、工艺、材料和基础研究等方面都存在较大的差距。为 进一步扩大钛合金应用的发展，亟需开展钛合金激光表
面改性技术研究。
激光改性过程中裂纹产生机理
钛合金激光表面改性是快速熔化和凝固的冶金过程，在
激光处理过程中存在复杂的传热、传质、对流、扩散、 相变等物理和化学现象。
激光熔覆过程中引入超声振动，可以改善液态熔池的流
动性，使气泡快速逸出，组织分布更加均匀；凝固过程 施加超声振动，可以将正在长大的枝晶打碎，并使其分
散到熔体的各个部位形成均匀分布的小晶核。超声振动
激光合金化
激光合金化是在高能束激光作用下，将一种或 多种合金元素与基材表面快速熔凝，即利用激
光改变金属及合金表面的化学成分。
该方法具有以下优点：
• • 1)在金属零件的局部表面处理后能获得高级合金的性能； 2) 改性层深度和宽度得到精密控制；
•
3) 由于激光加热层温度梯度大，故结合层窄，结合质量好，而
激光熔凝
激光熔凝是指利用高能密度的激光束扫描工件的表面， 使表面一薄层熔化并在极快的冷却速度下凝固。
激光熔凝对纯钛板的抗腐蚀性和点蚀电位的影响：钛基 板和激光熔凝钛板的动电位分析表明，钛基板受到明显
的腐蚀，而激光熔凝钛板则没有这种现象，即激光熔凝
钛板的抗蚀性增加了。电化学阻抗测定结果表明，经激 光熔凝后的纯钛板的电阻较钛基板更大一些。
且对基体金属性能的不利影响极小。
激光合金化
激光合金化与激光熔覆的不同之处在于：激光合金化是使添加 的合金元素和基材表层在液态下充分混合而形成合金化层；而 激光熔覆则是使预涂层全部熔化而基体表层微熔，从而使熔覆 层与基体材料形成冶金结合而保持熔覆层的成分基本不变。
钛合金表面激光合金化依据所添加材料的性质可分为两大类， 即气相和固相合金化。激光气相合金化大多采用氮气或混合气 体[26~31]。激光氮化是在氮气环境下(保持压力为3~5×103 Pa)利用激光辐照熔化钛合金基材表面，并在钛合金表面形成组 织致密、厚度为400~1000 mm 的氮化层。