医用金属质料作为植入物(人体枢纽、骨钉、血管支架等)必需知足人体正常生涯的要求,,,,,且能在人体情形中坚持优良的力学性能和耐磨损性能[1-7]。。。。。。。。例如,,,,,人工髋枢纽需要具有优异的强度、优异的耐磨损性和耐疲劳性能,,,,,血管支架需要有较好的弹性、随体变形能力和疲劳性能等。。。。。。。。生物医用金属质料已从早期的金、银、钢生长到不锈钢、钴基合金、钛及钛合金等[8-9]。。。。。。。。其中,,,,,β钛合金因其弹性模量低、生物相容性和耐侵蚀性优异而被普遍应用于生物医学领域[10-13]。。。。。。。。然而,,,,,钛合金仍保存一些临床问题,,,,,如当植入体(尤其是骨枢纽等)在人体内服役时,,,,,受到循环应力的作用,,,,,容易导致外貌磨损剥落从而失效。。。。。。。。因此,,,,,一些学者对医用钛合金举行了外貌改性处置惩罚,,,,,以改善质料的外貌性能[14-16]。。。。。。。。超快激光加事情为一种外貌处置惩罚工艺,,,,,可以在金属外貌制备差别类型的结构,,,,,有用改善质料的力学性能、润湿性、生物相容性等[17-18]。。。。。。。。与古板外貌改性手艺相比,,,,,激光外貌改性具有精度高、无邪性强、通用性强等突出优点。。。。。。。。Bonse等[19]先容了超快激光外貌纹理的最新研究希望,,,,,视察了钢和钛合金外貌形态(条纹、凹槽和尖峰)的摩擦学特征。。。。。。。。与抛光样品外貌的磨损痕迹相比,,,,,超快激光加工区的磨损痕迹险些不可见,,,,,其优异的耐磨性源于激光外貌处置惩罚时天生的纳米结构。。。。。。。。Florian等[20]研究批注,,,,,超快激光烧蚀金属外貌形成了纳米级结构,,,,,其摩擦因数显着降低。。。。。。。。皮秒激光是脉宽为皮秒量级的激光,,,,,也被称为超快激光,,,,,因其脉冲短、峰值功率高、加工精度高等特点而被普遍应用于信息、情形、生物医学等领域[21-24]。。。。。。。。本文接纳皮秒激光直接烧蚀Ti-13Nb-13Zrβ钛合金外貌,,,,,通过调控激光能量和扫描速率等工艺参数,,,,,在试样外貌制备出了差别的微观结构;;;;;;探讨了激光工艺参数对证料外貌形貌的影响,,,,,并对激光改性后试样的摩擦磨损性能举行了研究,,,,,剖析了外貌微观结构的磨损机理。。。。。。。。
1、试验
在真空自耗炉中熔炼3次获得Ti-13Nb-13Zrβ钛合金铸锭,,,,,并使其因素匀称。。。。。。。。随后,,,,,将铸锭在950℃下铸造,,,,,获得Φ40mm×160mm的圆柱体坯料。。。。。。。。接纳线切割手艺将试验样品切成尺寸为4mm×4mm×2mm的长方体,,,,,依次用400#~2000#的SiC砂纸打磨样品并抛光,,,,,先后用95%(体积分数)乙醇和去离子水对样品超声洗濯15min,,,,,并烘干备用。。。。。。。。
本文接纳深圳格镭激光科技有限公司生产的红外皮秒激光器,,,,,皮秒激光器的光束斑直径为20μm,,,,,激光重复频率为200kHz,,,,,扫描线间距为16μm,,,,,皮秒激光试验的激光功率划分为0.5W和5W,,,,,扫描速率划分为0.8、10、50mm/s,,,,,对样品外貌举行处置惩罚。。。。。。。。
使用Fmv-ac-at型显微硬度计丈量样品的显微硬度,,,,,加载载荷为100g,,,,,保载时间为10s,,,,,每个样品选择3个差别区域,,,,,每个区域测9个点(3×3方阵),,,,,为减小试验误差,,,,,硬度取平均值。。。。。。。。接纳HT-1000型摩擦磨损试验机在室温下举行盘-销转动摩擦试验。。。。。。。。接纳Φ6mm的WC-Co合金球作为摩擦副,,,,,旋转速率为336r/min,,,,,所加砝码质量为250g,,,,,运行时间为30min。。。。。。。。接纳FEINova400场发射扫描电镜视察和剖析激光改性前后试样外貌形貌的转变;;;;;;接纳OLS5000激光共聚焦显微镜视察和剖析摩擦磨损后的外貌形貌。。。。。。。。
2、效果与讨论
2.1激光能量和扫描速率对外貌形貌的影响
皮秒激光加工前后Ti-13Nb-13Zrβ钛合金外貌形貌的SEM图如图1所示。。。。。。。。图1a、图1c、图1e划分为激光功率为0.5W,,,,,扫描速率为0.8、10、50mm/s时皮秒激光加工β钛合金的外貌形貌。。。。。。。。从图1a可以看到,,,,,当激光功率为0.5W、扫描速率为0.8mm/s时,,,,,样品外貌为大宗的微米级柱状结构,,,,,且其漫衍匀称。。。。。。。。图1a中实线部分是虚线区域的放大图,,,,,可以视察到每个柱状结构的顶部都笼罩有纳米条纹结构,,,,,即激光诱导周期性结构(Laser-inducedPeriodicSurfaceStructure,,,,,LIPSS)。。。。。。。。由图1c可以看到,,,,,当激光功率为0.5W、扫描速率为10mm/s时,,,,,样品外貌形貌看起来像层层的海浪一样,,,,,由激光烧蚀过的平面和激光热量爆发的颗粒组成。。。。。。。。由图1e可以看到,,,,,当激光功率为0.5W、扫描速率为50mm/s时,,,,,在样品外貌可视察到激光诱导周期性结构,,,,,纳米条纹结构的周期为500nm,,,,,靠近皮秒激光器的波长。。。。。。。。

图 1 皮秒激光烧蚀后 Ti-13Nb-13Zr 合金外貌形貌的 SEM 图
Fig.1 SEM images of surface morphology of Ti-13Nb-13Zr alloy after picosecond laser ablation: a) micron spikes;b) ablation topography; c) "wave" topography; d) island shape; e) nano-stripes; f) nano-stripes; g) matrix
图1b、图1d、图1f划分为激光功率为5W,,,,,扫描速率为0.8、10、50mm/s时皮秒激光加工β钛合金的外貌形貌。。。。。。。。由图1b可以看到,,,,,当激光功率为5W、扫描速率为0.8mm/s时,,,,,样品外貌质料被烧蚀去除,,,,,未形陋习则的结构。。。。。。。。比照图1a可知,,,,,在扫描速率较低条件下,,,,,过高的激光能量倒运于纳米条纹周期性结构的形成。。。。。。。。由图1d可知,,,,,当激光功率为5W、扫描速率为10mm/s时,,,,,样品外貌漫衍着由种种尖峰组成的“小岛”。。。。。。。。由图1f可知,,,,,当激光功率为5W、扫描速率为50mm/s时,,,,,在样品外貌视察到激光诱导周期性结构,,,,,纳米条纹结构的周期为830nm。。。。。。。。在图1e和图1f样品外貌都视察到激光诱导周期性结构,,,,,可是较低能量(0.5W)下LIPSS的匀称性和致密性比高能量(5W)的好。。。。。。。。
综上所述,,,,,在激光能量相同的条件下,,,,,低扫描速率可以使激光热量长时间群集和扩散,,,,,在相同扫描速率下,,,,,高激光能量对证料外貌烧蚀的水平较大。。。。。。。。当扫描速率为0.8mm/s时,,,,,使用高能量激光束直接刻写样品会使外貌质料在热影响作用下汽化,,,,,使质料外貌形成不规则且无牢靠形状的烧蚀形貌。。。。。。。。当扫描速率为10mm/s时,,,,,在较高能量下可以获得“岛状”结构,,,,,这是由于速率的提升使激光爆发的热量无法长时间群集在质料外貌,,,,,且在外貌极化激元的作用下形成了特殊结构。。。。。。。。当扫描速率提升到50mm/s时,,,,,0.5W和5W
的激光能量均可以在Ti-13Nb-13Zrβ钛合金外貌制备出匀称漫衍的周期性纳米结构,,,,,且差别的激光能量获得的纳米结构周期性尺寸差别,,,,,较低能量下获得的LIPSS的匀称性和致密性比高能量下的好,,,,,这与Bonse等[25]的研究效果一致。。。。。。。。
2.2激光能量和扫描速率对外貌硬度的影响
Ti-13Nb-13Zr合金皮秒激光外貌处置惩罚前后试样的硬度如表2所示。。。。。。。。浚浚浚浚可以看出,,,,,Ti-13Nb-13Zr合金经皮秒激光加工后,,,,,其外貌显微硬度较基体硬度(188HV)显著提高。。。。。。。。当激光功率为0.5W、扫描速率为50mm/s时,,,,,获得的周期性纳米结构的外貌显微硬度较基体的提高了58.5%。。。。。。。。当激光功率为5W、扫描速率为50mm/s时,,,,,获得的周期性纳米结构的外貌显微硬度较基体的提高了54.3%。。。。。。。。但在激光功率相同的条件下,,,,,扫描速率对样品外貌显微硬度的影响不显著。。。。。。。。皮秒激光加工Ti-13Nb-13Zrβ钛合金后,,,,,其外貌显微硬度显著提高,,,,,这主要是由于经皮秒激光加工后,,,,,样品外貌晶粒的细化使外貌硬度均获得了显著提高。。。。。。。。

2.3摩擦磨损质量转变与摩擦磨损系数
由于当激光功率为0.5W、扫描速率为50mm/s时,,,,,在样品外貌制备的周期性纳米结构的匀称性和致密性最好,,,,,硬度最高,,,,,以是,,,,,仅较量激光功率为0.5W、扫描速率为50mm/s时的周期性纳米结构与基体的摩擦磨损性能。。。。。。。。
摩擦磨损试验后Ti-13Nb-13Zrβ钛合金样品的磨损量和磨损率数据如表3所示。。。。。。。。磨损量的盘算公式[26]如式(1)所示。。。。。。。。

式中:Mloss为样品在摩擦磨损试验后损失的质量;;;;;;ρ为样品的密度,,,,,Ti-13Nb-13Zr合金的密度为4.89g/cm3。。。。。。。。
磨损率的盘算公式[26]如式(2)所示。。。。。。。。

式中:W为摩擦接触载荷,,,,,本次试验中为2.5N;;;;;;L为滑动距离,,,,,时间为30min,,,,,故滑动距离为1266.05m。。。。。。。。由表3可知,,,,,基体的摩擦磨损失重为0.0032g,,,,,磨损率为1.01×10?6;;;;;;LIPSS试样的摩擦磨损失重为0.0013g,,,,,磨损率为4.10×10-7。。。。。。。。经皮秒激光加工处置惩罚后,,,,,Ti-13Nb-13Zrβ钛合金外貌晶粒获得显着细化,,,,,耐磨性获得显著提高。。。。。。。。

Ti-13Nb-13Zr皮秒激光加工前后试样摩擦因数随时间的转变曲线如图2所示。。。。。。。。浚浚浚浚可知,,,,,在0~1min内,,,,,摩擦因数上升较快,,,,,此时处于预磨期,,,,,随后摩擦因数趋于平稳,,,,,在小规模内波动。。。。。。。。Ti-13Nb-13Zrβ钛合金基体的平均摩擦因数为0.70,,,,,皮秒激光加工后样品的平均摩擦因数为0.26,,,,,相关于基材摩擦因数下降了62.8%。。。。。。。。皮秒激光加工处置惩罚使Ti-13Nb-13Zrβ钛合金外貌的摩擦磨损性能显著提升。。。。。。。。这是由于皮秒激光加工在不改变外貌结构和无热影响的条件下,,,,,使表层晶粒组织细化到纳米标准。。。。。。。。

图 2 基体和 LIPSS 试样的摩擦因数(COF)随磨损时间的转变曲线
Fig.2 COF with sliding time curves for matrix and LIPSS sample
2.4摩擦磨损形貌与摩擦磨损机理
本文通过激光共聚焦显微镜获取了摩擦磨损试验后基体和LIPSS试样的外貌三维形貌。。。。。。。。摩擦磨损试验后基体和LIPSS试样的外貌粗糙度和磨痕深度曲线如图3所示。。。。。。。。由图3a可知,,,,,摩擦磨损试验后基体外貌平均粗糙度为0.024μm,,,,,摩擦磨损后试样外貌平整,,,,,没有太大升沉。。。。。。。。由图3b可知,,,,,皮秒激光改性后LIPSS试样的外貌平均粗糙度为2.119μm,,,,,摩擦磨损后试样形成了宽为40μm、深度为6μm的沟壑。。。。。。。。由上述效果可知,,,,,皮秒激光加工工艺在Ti-13Nb-13Zrβ钛合金外貌天生的纳米条纹结构使质料外貌粗糙度显著增大。。。。。。。。

图 3 摩擦磨损试验后样品外貌粗糙度图像和磨痕深度曲线,,,,,
Fig.3 Surface roughness images and abrasion depth curves of samples after frictional wear test: a) matrix;b) abrasion depth curves of matrix; c) LIPSS sample; d) abrasion depth curves of LIPSS sample
基材和LIPSS试样的摩擦示意图如图4所示。。。。。。。。浚浚浚浚可以视察到,,,,,由于LIPSS试样外貌具有纳米条纹结构,,,,,它与摩擦球的接触面积与基材相比显着减小。。。。。。。。在摩擦磨损试验中,,,,,样品与摩擦球接触容易爆发黏着,,,,,而规则排列的条纹结构降低了黏着的可能性。。。。。。。。别的,,,,,在摩掠历程中,,,,,摩擦球与纳米条纹结构的凸峰接触并爆发磨损颗粒,,,,,条纹结构的周期仅有几百纳米,,,,,磨屑的尺寸也很小,,,,,这批注磨损颗粒使样品在微切削历程中爆发犁沟的截面积减小,,,,,因此切削阻力也响应减小。。。。。。。。条纹结构的凹槽也可以捕获摩擦界面处爆发的磨损颗粒,,,,,镌汰摩擦界面磨屑的数目,,,,,降低犁沟效应。。。。。。。。因此LIPSS试样的摩擦因数小于基材的摩擦因数。。。。。。。。上述效果批注,,,,,经皮秒激光加工处置惩罚后,,,,,Ti-13Nb-13Zrβ钛合金外貌的周期性纳米条纹结构对证料的耐磨性有显著的提升。。。。。。。。同时,,,,,当脉冲激光烧蚀质料外貌时,,,,,对证料表层施加了极高的能量,,,,,使质料爆发重熔,,,,,导致质料外貌晶粒组织细化,,,,,强度与硬度提高,,,,,从而改善了质料摩擦学性能。。。。。。。。

图 4 基材与 LIPSS 试样的摩擦示意图
Fig.4 Schematic diagram of friction mechanism between matrix and LIPSS sample: a) matrix; b) LIPSS sample
金属质料的耐磨性可以通过质料的硬度来权衡。。。。。。。。
这主要是由于硬度越大,,,,,强度越高,,,,,微观上分子(原子)间的键接越强,,,,,原子被外力剥离的可能性就越低,,,,,耐磨性就越好。。。。。。。。同时,,,,,质料的硬度还反应了质料对抗物料压入外貌的能力,,,,,硬度越高,,,,,物料压入质料外貌的深度就越浅,,,,,对抗剪切变形的能力就越强,,,,,越容易阻止黏着磨损的爆发,,,,,切削时爆发的磨屑体积就越小,,,,,即磨损越小,,,,,耐磨性就越高。。。。。。。。经皮秒激光加工后,,,,,试样外貌晶粒的细化使其外貌硬度较基体硬度显著提高,,,,,因此,,,,,经皮秒激光加工后样品的耐磨性较基体的更优异。。。。。。。。
经皮秒激光加工后,,,,,样品的摩擦磨损机理为激光重熔,,,,,质料外貌晶粒组织获得细化,,,,,强度与硬度响应提高,,,,,别的,,,,,LIPSS减小了质料与摩擦副的接触面积,,,,,镌汰了磨屑数目,,,,,减小了黏着的可能性,,,,,并降低了犁沟效应,,,,,即外貌晶粒细化与外貌具有纳米条纹结构的LIPSS结构使质料的摩擦磨损性能提高。。。。。。。。
3、结论
接纳皮秒激光对Ti-13Nb-13Zrβ钛合金举行了外貌处置惩罚,,,,,研究了差别激光参数对外貌形貌的影响纪律,,,,,探讨了皮秒激光外貌处置惩罚对证料耐磨性的影响。。。。。。。。
主要结论如下:
1)当扫描速率为50mm/s、激光功率为0.5W时,,,,,在Ti-13Nb-13Zrβ钛合金外貌天生了周期为500nm的纳米条纹结构;;;;;;当扫描速率为50mm/s、激光功率为5W时,,,,,在Ti-13Nb-13Zrβ钛合金外貌天生了周期为830nm的纳米条纹结构;;;;;;当扫描速率牢靠时,,,,,LIPSS的周期性会随着能量的转变而转变。。。。。。。。
2)在摩擦磨损历程中,,,,,基体的摩擦因数为0.70,,,,,经皮秒激光外貌处置惩罚的、具有LIPSS结构试样的摩擦因数为0.26,,,,,与基体相比,,,,,经皮秒激光加工后,,,,,试样的摩擦因数降低了约62.8%,,,,,其耐磨性显著提升。。。。。。。。皮秒激光加工试样的外貌平均粗糙度为2.119μm,,,,,相较于母材的(0.024μm)显著增大。。。。。。。。这是由于LIPSS降低了质料与摩擦副的接触面积,,,,,从而减小了黏着的可能性。。。。。。。。在条纹结构的凹槽处可以捕获摩擦界面处的磨损颗粒,,,,,镌汰磨屑数目。。。。。。。。外貌纳米结构使爆发的磨屑尺寸较小,,,,,从而降低了犁沟效应。。。。。。。。LIPSS在改善质料摩擦学性能方面有极大的应用潜力。。。。。。。。
未来可以通过电化学实验对激光修饰改性后样品的耐蚀性能举行检测,,,,,探讨LIPSS对证料耐蚀性能的影响纪律,,,,,可以通过举行生物实验对植入物质料激光改性前后生物相容性的演变举行剖析,,,,,使激光改性工艺在生物医学领域可以获得更好的应用。。。。。。。。
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