激光熔凝处理对NiTi形状记忆合金微动磨损性能的影响

NiTi合金 激光

第２９卷第７期

２００

焊接学报

Ｖ０１．２９

Ｎｏ．７２００

８

８年７月ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＦＴＨＥＣＨＩＮＡＷＥＬＤＩＮＧＩＮＳＴＩＴＵＴＩＯＮＪｕｌｙ

激光熔凝处理对ＮｉＴｉ形状记忆合金

微动磨损性能的影响

张春华１’２，

张卓２，

张松２，

韩

忠３，

文效忠４

１１００１６；

（１．东北大学材料与冶金学院，沈阳１１０００４；２．沈阳工业大学材料科学与工程学院，沈阳１１０１７８；

３．中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室，沈阳

４．香港理工大学工业及系统工程学系，香港九龙）

摘要：采用高功率连续波固体Ｎｄ：ＹＡＧ激光器，对ＮｉＴｉ形状记忆合金进行激光表面熔凝处理，利用ＳＲｖⅢ摩擦磨损试验机考察激光熔凝处理对ＮｉＴｉ形状记忆合金微动磨损性能的影响。采用扫描电子显微镜及能谱仪分析ＮｉＴｉ形状记忆合金表面磨痕形貌及磨损产物成分；用形貌仪测量样品表面磨痕深度，并对磨损体积进行计算。结果表明，与ＮｉＴｉ合金相比，熔凝层摩擦系数，磨损体积均显著降低，表明激光熔凝处理提高了Ｎｉ．Ｔｉ合金的耐微动磨损性能。ＮｉＴｉ合金微动磨损机理主要表现为氧化和磨粒磨损，而Ｎｉ．Ｔｉ合金激光熔凝层磨损机制主要以疲劳剥层理论及磨粒磨损为主。关键词：ＮｉＴｉ形状记忆合金；激光表面熔凝；微动磨损；磨损机制中图分类号：ＴＧｌ７４

文献标识码：Ａ

文章编号：０２５３—３６０ｘ（２０吣）０ｒ７—００２２—０３

张春华

０

薄言

究激光熔凝处理改性对ＮｉＴｉ合金微动磨损性能及

磨损机制的影响。

近等原子比的ＮｉＴｉ合金具有独特的形状记忆、

超弹性、耐磨及耐蚀性能，是一种极具发展前景的生物医用材料。目前，在生物医学领域获得了较为广泛的应用【ｌ。Ｊ。当ＮｉＴｉ合金作为骨替代材料及骨

钉使用时，需要承受一定的压力，并且在两个接触表面处会发生振幅很小的相对运动【４，５Ｊ。微动磨损是指在两固体接触面由于周期性小振幅振动造成损伤的一种磨损形式怕Ｊ。因此，进一步提高ＮｉＴｉ合金的

１

试验方法

试验所用材料为厚度４／ｎｌｎ的ＮｉＴｉ形状记忆合

金板材，其化学成分（质量分数，％）为Ｔｉ４９．２。样品尺寸为２０ｎ珊×１５

２０

ｎｌｉｎＸ

５０．８，Ｎｉ

ｉｎｌｌｌ×４

Ｉ啪，样品的

１５

ｍｉｌｌ表面采用６００号ＳｉＣ金相砂纸打磨，

表面喷砂，并在丙酮溶液中超声波清洗５ｍｉｎ，干燥

备用。

采用２ｋＷ连续波Ｎｄ：ＹＡＧ激光器对ＮｉＴｉ合金表面进行激光熔凝处理，激光束波长１。０６ｔａｎ，焦距为１００ｍｍ。激光熔凝处理样品置入一特制导光可

耐磨性，研究医用植人材料的微动磨损性能及其失效机制在临床应用方面具有重要的意义。

激光表面熔凝（１ａｓｅｒ

ｓｕｒｆａｃｅ

ｍｅｌｔｉｎｇ，ＬＳＭ）具有诸

多优点，这种非平衡态的物理、化学冶金过程可以改

变金属表面显微组织，使表面层元素重新分布；且不影响材料的整体性能，同时熔凝层与基体金属之间

可形成良好的冶金结合，在活性气氛环境下进行熔凝处理还可以反应生成新相ＨＪ。

控气氛反应室中，保护室窗口材料为可传导波长

１．０６胛激光的光学玻璃，所用保护气氩气纯度为

９９．９９５％。熔凝处理过程可控气氛反应室位于计算

机控制的彬三维运动的工作台上，工作台每个方

向的最小运动幅度为Ｏ．０１ｌ＇Ｉｌｌａ，激光加工系统采用

作者采用高功率连续波Ｎｄ：ＹＡＧ固体激光器在

ＮｉＴｉ形状记忆合金表面进行激光熔凝处理，重点研

收稿日期：２００７—１１—０２

基金项目：中国博士后科学基金（２００６０４００９５７）；辽宁省教育厅研究

ＺｎＳｅ透镜聚焦，焦距为１００ｍｍ。激光辐照工艺参

数：输出功率７００ｗ，扫描速率２０ｍｌｎ，／８，光斑直径

１．５

ｒａｉｎ，保护气氩气流量２０Ｌ／ｒａｉｎ，大面积扫描搭接§

发展计划（０５瑚，２００６０６３６）率为５０％。

万方数据

NiTi合金 激光

第７期张春华，等：激光熔凝处理对ＮｉＴｉ形状记忆合金微动磨损性能的影响

２３

微动磨损试验在ＳＲＶｍ摩擦磨损试验机上进行，用线切割的方法将材料切割成尺寸１０

ｌｌｌｎｌ

Ｘ

１０ｔｏｎｉ×４

ｍｉｌｌ的方块，样品表面采用ＳｉＣ金相砂纸逐

级打磨，金刚石研磨膏抛光、清洗、干燥备用。磨损试验采用球一平面接触方式，图１为微动磨损试验

机工作原理图。上试样为直径声１０ｌｎｎ＇ｌ的他０３陶瓷球，下试样分别为ＮｉＴｉ合金及其激光熔凝样品。

试验时，下试样固定不动，上试样做微小振幅往复运动。微动磨损主要试验参数：法向载荷Ｆ。为２０

Ｎ，

位移幅值Ｄ为５０胛，频率．厂为２０Ｈｚ，室温，空气介

质中磨损，循环次数为７．２×１０４次。

法向载荷

图１微动磨损试验机工作原理图

Ｆ目．１

Ｏｌｏｏｒａｔｉ（ｍｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｆｒｅｔｔｉｎｇｗｅａｒｔｏｓｔｏｒ

采用Ｓ一３４００Ｎ扫描电子显微镜及能谱仪对磨损样品表面磨痕形貌及磨损产物的成分进行观察和分

析，从而分析ＮｉＴｉ合金及ＮｉＴｉ激光熔凝层在该体系

下的微动磨损失效机制。用２２０５型表面粗糙度测量仪对磨损样品表面不同区域的微动磨损深度和宽度进行测量，并对磨损体积进行计算。

２结果及分析

图２为ＮｉＴｉ形状记忆合金改性前后微动磨损摩擦系数曲线，其中￡１，Ｌ２分别是ＮｉＴｉ合金及其激光熔

凝样品摩擦系数随循环次数的变化曲线。从图中可以看出，在磨损开始阶段，两条曲线的摩擦系数均比较低，随着循环次数的增多，摩擦系数有所增加，之后进入稳定磨损阶段，两种合金进入稳定磨损阶段的摩擦系数值分别为０．９５和０．８５。通常情况下旧Ｊ，在磨

损的初始阶段，摩擦系数较低；但随着时间的增加，摩擦副之间的接触面积增大，摩擦阻力增大，磨损加剧，

万方数据

导致摩擦系数有所增加，同时磨损产生磨屑，磨屑的

犁削作用也将影响到摩擦系数。此后，经过一段时间磨损运行，逐渐达到一个稳定的磨损阶段，摩擦系数也趋于稳定。试验结果表明，ＮｉＴｉ合金激光熔凝样品

由于组织细密，其摩擦系数有所降低。

～

籁

１龋

辅夤

循环次数（ｘｌ∞

图２微动磨损摩擦系数

图３为ＮｉＴｉ合金及其激光熔凝样品微动磨损表面磨斑宏观形貌及ＥＤＳ成分。从图中可以看出，ＮｉＴｉ合金样品表面磨斑呈近似椭圆形，ＮｉＴｉ合金激光熔凝样品表面磨斑为不规则椭圆形。在ＮｉＴｉ合

金磨斑的边缘可以看到少量与运动方向一致的磨

痕。磨痕的形成主要是由于在磨损的过程中，颗粒状的氧化物随着往复运动逐渐排除，参与磨损过程，

在样品边缘呈现出具有磨粒磨损特征的磨痕。这些

磨痕呈现出明显的犁沟状，犁沟产生的过程并不会

直接引起材料的去除，但在多次变形后会产生脱落

而形成二次磨屑，从而增加磨损的进程【９Ｊ９。在磨斑

的中心区域可以看出磨损比较严重，这主要是由于

样品与空气中的氧直接接触，磨损过程中磨痕中心

区域温度较高，氧化现象比较严重，同时由于应力的

作用，使形成的氧化膜破损，产生氧化物磨屑。在磨

损的初始阶段，剥落物呈片状，而后片状剥落物被研磨成粒状磨屑，随着摩擦副间相对往复运动而逐渐

被排出。

图３ｃ为图３ｂＮｉＴｉ合金激光熔凝样品磨斑中白色颗粒相Ａ点处ＥＤＳ成分定点分析结果。在Ａ１２０３摩擦副与ＮｉＴｉ合金激光熔凝层对磨时，上摩擦副Ａ１２０３表面的物料向熔凝样品表面转移，此现象在

ＮｉＴｉ合金微动磨损过程中未有发现。研究表明，Ｎｉ．Ｔｉ合金激光熔凝层对上摩擦副表面的犁削能力增

强，从而进一步说明激光熔凝处理提高了ＮｉＴｉ合金

表面的耐磨性。

NiTi合金 激光

焊接学报第２９卷

∞ＮｉＴｉ合金激光熔凝层

Ｊｌ

５．７

４．３

＇

—邑苦毯啜靛霉

１．４

０．０

—，“

１００

３００

５００

７∞

９００

能量Ｅ／ｋｅＶ

（ｃ）图３ｂ中Ａ点成分ＥＤＳ鲤ｉ果

图３磨损磨斑宏观形貌及ＥＤＳ成分分析

哟．３

Ｕａｃｒｏｇｒａｐｈｏｆｔｈｅｗｅａｌ＂ｓｃａｒｓａｎｄＥＤＳａｎａｌｙｓｉｓ

图４为Ｎｉ－Ｉ｜ｉ合金及其激光熔凝样品微动磨损

中心区域磨痕形貌。可以看出，ＮｉＴｉ合金表面产生大量的氧化物及磨屑，并呈现出一定粘着磨损的迹

象。而ＮｉＴｉ合金激光熔凝样品表面的磨损程度显

著降低，呈疲劳磨损的片状剥落。在微动磨损反复剪切应力作用下，材料亚表面产生裂纹，形成脱层损

伤，导致材料以薄片形式脱离母体。这说明同样在微动磨损严重区域，ＮｉＴｉ合金激光熔凝样品的氧化倾向明显低于ＮｉＴｉ合金基体材料，熔凝层的磨损情况也较ＮｉＴｉ合金轻。由此可见，对于ＮｉＴｉ和ＮｉＴｉ合金激光熔凝样品，其微动失效机制并不是某一种失效机制单独作用，而是几种磨损机制综合作用的结果。对于ＮｉＴｉ合金而言，在磨斑边缘区域存在一定数量的犁沟，磨损机制主要是磨粒磨损，而在其它区

域主要以氧化磨损为主。ＮｉＴｉ合金激光熔凝样品的

磨损机制以疲劳剥层理论为主，相对ＮｉＴｉ合金的磨

万方数据

损机制更为复杂，在磨斑边缘区域的微动损伤机制

与ＮｉＴｉ合金相似，主要是磨粒磨损与氧化磨损机制。在两者之间的一定区域呈现出一定片状剥落的迹象，可见其磨损机制主要为疲劳剥层理论。

∞ＮｉＴｉ合金激光熔凝层

图４微动磨损中心区域磨痕形貌

Ｆｊｇ．４

ＳＥＭｍｉｃｒＯｇｒａｐｈｓｉｎｃｅｎｔｒａｌｗｏｍｓｕｒｆａｃｅ

ａｒｅａ

图５为激光熔凝前后ＮｉＴｉ合金微动磨损体积

的变化。从图中可以看出，ＮｉＴｉ合金激光表面熔凝处理的磨损体积明显减少，相对耐磨性¨ｏＪ提高了１．８２倍。这主要是由于ＮｉＴｉ合金激光熔凝处理可使处理表层组织结晶细密，形成过饱和亚稳相及金

属间化合物，从而有利于熔凝层耐磨损性能的改善。

篁

釜

薹

鐾鬓

图５微动磨损循环７．２×１０４周次的磨损体积Ｆ的．５

Ｗｅａｒ

ｖｏｌｕｍｅ

ｕｎｄｅｒ７．２

ｘ１０４

ｆｒｅｔｔｉｎｇ吣

［下转第２８页］

NiTi合金 激光

２８

焊接学报

第２９卷

合，应用于实际的焊道表面质量的评价，评价结果与ｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｍ＇ｒｍｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｃｈｉｎｅ

Ｔｏｏｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，

实际观测到的结果相吻合，验证了理论应用的合理

２００５（４５）：１０５７—１０６２．

正确性。［５］ＳｏｎｇＹｏｎｇ－Ａｋ，ＰａｒｋＳｅｈｙｕｎｇ，ＣｈａｅＳｏｏ－Ｗｏｎ．３Ｄｗｅｌｄｉｎｇａｎｄｍｉｌｌ－

ｌａｇ．ｐａｒｔＩＩ——ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

ｏｆｔｈｅ

３Ｄｗｅｌｄｉｎｇ

ｐｒｏｃｅｓｓｕｓｉｎｇ

ｆｉｌｌ

ｅ∞ｐｅｒｉ－

ｍｅｎｔａｌ

ｄｅｓｉｇｎ

ａｐｐｒｏａｅｈ［Ｊ］．ＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｅｈｉｎｅＴｏｏｌｓ＆

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［３］Ｚｌｍｇ

Ｙｕｍｉｎｇ，ＣｈｅｒｔＹｉｗｅｉ，Ｌｉ

Ｐｅｎｇｉｉｕ，ｄａ／．Ｗｅｌｄｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ－

ｂａｓｅｄｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ８ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ咖ｃｌｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ

ｏｆ

Ｍａｔｅｒｉａｌｓ

作者简介：盂凡军，男，１９７５年出生，博士研究生。主要从事热喷

Ｐｒｏｅｅｓ６ｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，１３５：３４７—３５７，

［４］ｓｏｌ唱Ｙｏｎｇ－Ａｋ，ＰａｒｋＳｅｈｙｕｎｇ，Ｃｈｏｉ

Ｄ００６ｕｎ，ｄ

ａ／．３Ｄｗｅｌａｉｌｌｇａｎｄ

涂和焊接自动化的研究工作。发表论文１０余篇。ｎｌｉｌｌｉＩｌｇ，＊Ｐａｒｔ

Ｉ—ａ

ｄｉｒｅｃｔａｐｐｒｏａｃｈ

ｆｏｒｆｒｅｅｆｏｎｎｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｌｉｃ

Ｅｍａｉｌ：ｎ喝７５１９＠１６３．ｅｏｍ

［上接第２４页】

［３］

Ｄｕｅｒｉｇ

Ｔ，ＰｅｌｔｏｎＡ，ＳｔｏｅｋｅｌＤ．Ａｎｏｖｅｒｖｉｅｗ

ｏｆｎｉｔｉｎｏｌｍｅｄｉｃａｌａｐｐｌｉ－

ｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，１９９９，２７３—２７５．

３结论

１４９一１６０．

［４］郑海，朱振安．镍钛形状记忆合金特性及骨科应用［Ｊ］．国际骨科学杂志，２００６，”（４）：２２６—２２９．

（１）ＮｉＴｉ合金经激光熔凝处理使ＮｉＴｉ合金的摩［５］张建华，陶德华，付尚发，等．新型人工关节仿生润滑系统擦系数降低，相对耐磨性提高１．８２倍，从而改善了设计及滑液摩擦学特性研究［Ｊ］．摩擦学学报，２００３，２３（６）：

其微动磨损性能。

５００—５∞．

（２）ＮｉＴｉ合金在空气中的微动磨损机制主要是

［６］阎逢元，周惠娣，张泽抚．球一盘微动磨擦件磨损体积的测氧化磨损和磨粒磨损。而ＮｉＴｉ激光熔凝样品在空量与计算［Ｊ］．摩擦学学报，１９９５，１５（２）：１４５—１５１．

［７］张松，王强，张春华，等．激光表面改性对ＮｉＴｉ形状记忆气中的微动磨损机制为以疲劳剥层理论为主，伴有合金腐蚀行为的影响［Ｊ］．材料研究学报，２００６，２０（４）：４２２—

少量的氧化磨损和磨粒磨损。

４２６．

周仲荣，№Ｖｉｎｃｅｎｔ．微动磨损［Ｍ］．北京：科学出版社，

参考文献：

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［９］

姜晓霞，李诗卓，李曙．金属的腐蚀磨损ｒＭ］．北京：化学工业出版社，２００３．

【ｌ

ＪＫｌｔｌｐａｎｅｎＡ，ＤａｌａｉｔｏｌｉＡ，ｔｅｈｅｎｋａｆｉＰ。甜矗．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍｅｔａｌａｌｌｏｙ

［１０］张春华，张松，李春彦，等．作模具钢表面激光熔覆Ｓｔｅｌｌｉｔｅｓｕｒｆａｃｅ蚰Ⅸｓ∞ＯｉｌｔｈｅｖｉａｂｉｌｉｔｙｏｆＲＯＳ一１７，２．８ｏｓｔｅｏｂｌａｓｔｉｅｃｅｌｌｓ［Ｊ］．

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Ｘ－４０钴基合金［Ｊ］．焊接学报，２００５。２６（１）：１７—２０．

【２Ｊ

Ｅｓ－ＳｏｕｎｉｌＶｌ，Ｅｓ－ＳｏｕｎｉＭａｌｌｈａ，ＢｒａｎｄｉｅｓＨＦ．Ｏｎｔｈｅｔｒｎｆｏｍｌａｔｉｏｎ

ｂｅｈａｖｉｏｔｔｒ．ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ

ａｎｄ

ｂｉｏｃｍ－Ｊｐａｔｉｂｉｌｉｔｙｏｆ

ｔｗｏ

ＮｉＴｉ—

作者简介：张春华，男，１９６３年出生，博士。教授。研究方向为材

ｂａｓｅｄｓｈａｐｅ

ｍｅｍｏｒｙ

ａｌｌｏｙｓ：Ｎ以抛ａｎｄ

ＮｉＴｉ４２Ｃｕ７［Ｊ］．Ｂｉｏｍａｔｅｒｉ

料表面改性及激光先进制造技术。发表论文５０余篇。ａｌｓ，２００ｌ，２１（１５）：２１５３—２１６１．

Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｃｈ＠ｓｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

万方数据

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nkqi.html