直接激光熔覆钴在Ti-6Al-4V构图分级界面

文摘

直接激光熔覆钴在Ti-6Al-4V和没有评分界面已经尝试使用连续波有限公司₂激光。分级界面开发Ti-6Al-4V衬底上形成一层薄的铜层之前的多个激光熔覆钴。铜的存在层间发现抑制Ti的脆性金属间化合物的形成和有限公司过程参数对微观结构的影响,作品,详细研究阶段的接口。最后,机械和电化学性能的最佳工艺参数下的界面处理报告。

1。介绍

传统取代髋关节由三部分组成;一个旋转球在一个中空的套接字,它是固定的股骨(大腿骨)干细胞(1]。Co-Cr-Mo是最合适的合金球由于其非常高的弹性模量和它的磨损和耐腐蚀(1]。另一方面,Ti-6Al-4V合金是最可接受的干物质。球锥和干细胞可能在一起。虽然复合材料的使用似乎经济组件准备髋关节置换,放松的金属接口,因为担忧和腐蚀攻击是一个严重的问题。已经观察到最大的性能和使用寿命的生物植入体可能实现的组件是由一个材料。直接激光熔覆技术在固体部件的制造是通过激光辅助融化的材料粒子的形式/线,熔融层的沉积在衬底上一层一层地时尚,从而构建完整的组件的使用计算机辅助设计(CAD) (2]。技术与传统制造技术的显著优点包括更快的处理速度,没有工具的需求,制造复杂形状的能力,和保持相对稳定的微观结构/组成(3]。表壳虫属和摇来摇去4报道了激光成形钛。斯利瓦斯塔瓦等。5]报道Ti48Al2Mn2Nb合金的激光直接制造和建立过程参数对微观结构的作用。DLD工艺参数影响的质量层次研究了李赛义德·& (6)和Majumdar et al。7]。在目前的研究中,已经有人尝试去制造有限公司层Ti-6Al-4V衬底表面直接与客观激光熔覆技术开发球一杆由Ti-6Al-4V臀部和股骨假体。一直尝试抑制金属间化合物的形成之间的公司和Ti应用钛衬底上一层薄的铜的电沉积技术。铜层间被用来抑制钛和钴的相互扩散,因此,抑制脆性金属间化合物的形成(8]。加工后,详细调查的微观结构、组成、和阶段的组装层进行。最后,磨损和腐蚀的属性的详细研究了一部分。

2。实验

在目前的研究中,商业纯Ti-6Al-4V(尺寸15毫米×15毫米×5毫米)被选为基质。薄薄的一层(30μ米厚度)的铜被电镀沉积在钻石抛光Ti-6Al-4V衬底。开发有限公司层的电镀(Ti-6Al-4V pre-deposition衬底使用多个激光熔覆技术的元素粉末(大小,从20μ500 m和厚度的μ米)喷洒所需的元素粉末分散在酒精和有机粘结剂,随后,用连续波激光熔化有限公司₂激光的应用1 - 2千瓦的力量和扫描500 - 1250毫米/分钟的速度使用Ar笼罩的环境。堆焊层的发展后,堆焊层的微观结构和界面(在顶面和截平面)研究了扫描电子显微镜(SEM)。成分分布被energy-dispersed x射线能谱(EDS)监控。阶段,其分布是由x射线衍射仪(XRD)使用Co-Kα辐射。形成一层的耐磨特性研究了使用ball-on-plate摩擦磨损监控单元(模型没有。:tr - 208 - m1)包括维氏硬度计压头旋转的标本以预定速度15 rpm)和1公斤的正常负载。磨损动力学作为时间的函数在不同负载监控了硬度计压头的垂直位移转换成累积磨损损失使用Winducom 2003软件。杨氏模量分布在接口使用nanoindentation仔细分析技术(通过应用一个三角形的金字塔(一下)金刚石压头)。TestWorks 4 nanoindentation软件系统是用来计算硬度和杨氏模量使用奥利弗从荷载位移曲线和法尔法9]。最后,相等部分的横截面的腐蚀行为clad-alloyed-substrate组合进行了汉克的解决方案(CaCl (g / l): 0.185₂0.06,0.4氯化钾,KH₂阿宝₄0.1 MgCl₂6 h₂啊,0.1 MgSO₄h·7₂8 O,氯化钠,0.35 NaHCO₃0.48 Na₂HPO₄和1.00 d -葡萄糖)potentiodynamic循环极化测试的扫描速率从500−2 mV / s + 5000 mV (SCE)使用标准的甘汞作为参比电极和铂对电极(10]。

3所示。结果和讨论

微观结构扮演着重要的角色在决定组件的属性和行为在实际服务。在目前的研究中,详细调查的影响激光参数和涂层厚度的形态显微结构进行优化的工艺参数。数据1(一)和1 (b)显示合金区形成的扫描电子显微图直接激光复合Ti公司,没有铜涂层(a)和(b)铜涂层的涂层厚度30μm。从图1是相关的微观结构合金区主要由金属间化合物阶段在整个矩阵分布均匀。微观结构的形态是树突和细胞的混合物。比较图1(一)与图1 (b)表明,铜的存在接口,显著改进微观结构(如明显的枝晶间臂间距)。精致的微观结构由于铜涂层的应用可能是由于快速冷却速率与大型铜涂层的热导率界面。在这方面,它是与提到的面积分数和性质沉淀被发现随铜涂层的厚度。然而,这是观察到的非常厚铜夹层导致细微裂缝的形成合金区由于存在非常大的面积分数的金属间化合物。仔细分析微观结构和残余应力分布的界面显示了一个最佳涂层厚度的30μm。

详细元素分布随深度显示合金有限公司的地区是最大的(20 wt %)在复合layer-alloyed区界面和深度达到最低水平逐渐降低到5 wt %的合金zone-substrate接口。添加铜夹层导致其融化,混合和Ti公司改变合金的成分/微观结构显著区域。一个详细的元素分析显示,10 wt %的铜是均匀分布在整个合金区。接口的x射线衍射资料揭示了金属间化合物的存在公司和德州仪器(Ti₂有限公司)。这种金属间化合物非常的脆性和韧性是有害的属性界面。相反,应用在Ti在激光熔覆铜层间公司原因形成的金属间化合物在铜和Ti(主要是CuTi之间₃、铜₃Ti和抑制Ti的形成₂公司完全,虽然有一个哥斯达黎加人的存在₂相界面)。

图2显示了穿的(1)钛基体和界面的复合钛las激光功率密度为0.212千瓦/毫米²和扫描速度的14.3 mm / s(2)没有铜夹层和与铜夹层的厚度(3)30μm,分别。进行了磨损试验与标准的金刚石压头1公斤负荷。接口的耐磨性相对较低,公司在Ti-6Al-4V没有夹层复合是由于钛的存在₂公司是脆弱,因此,导致对金刚石压头在磨料磨损剥落的影响。从图3的铜夹层对耐磨性的影响显然是指出。CuTi的优良的耐磨性₃、铜₃Ti保护对干滑动磨损形成的层。此外,快速凝固均匀细微观结构赋予涂层良好的强度和韧性的组合,这也导致了耐散裂的涂层在干滑动磨损过程和分层。表1总结了应用基的平均杨氏模量和直接的接口激光复合钴没有钛和夹层和30μ米厚的铜夹层。从表1可以指出,接口没有夹层的杨氏模量增加到130 - 150 GPa相比应用基Ti-6Al-4V (114 GPa)。另一方面,应用铜夹层杨氏模量进一步增加140 - 240 GPa的水平。改进的杨氏模量由于铜夹层的应用归因于存在几个Ti-Cu金属互化物(如CuTi₃、铜₃钛、等等)。

接口的腐蚀行为进行了研究使用potentiodynamic极化测试。表2代表potentiodynamic极化测试的结果在汉克的解决方案进行钛衬底和激光包层的界面在Ti公司没有与铜沉积铜沉积和拉斯维加斯激光功率密度为0.212千瓦/毫米²和扫描速度的14.3毫米/秒。极化测试进行了周期来确定关键坑形成潜力()的值。从表1很明显,值激光复合有限公司在钛铜夹层(700 mV)显示改善相比,激光复合在Ti公司没有铜接口(437 mV)。然而,像CuTi金属间化合物的形成₃、铜₃Ti的结果在低值相比,应用基钛衬底(1300 mV)。点状腐蚀性能的改善由于铜夹层的形成是由于较低的面积分数后的沉淀。另一方面,腐蚀速率的界面没有铜钴复合钛层间略有恶化相比应用基Ti-6Al-4V。另一方面,在钛钴复合界面的30μ米铜夹层腐蚀速率几乎是类似于Ti-6Al-4V衬底。

4所示。结论

直接激光熔覆钴Ti-6Al-4V和没有铜夹层是尝试使用连续波有限公司₂激光。分级界面开发Ti-6Al-4V衬底上形成一层薄的铜层之前的多个激光熔覆钴。铜的存在层间被发现增加耐磨性和杨氏模量明显由于金属间化合物的存在钛和铜(CuTi之间₃、铜₃Ti等)不脆比Ti和Co (Ti之间的金属间化合物₂有限公司)。耐腐蚀的界面在汉克的解决方案略恶化由于多相结构的存在。恶化的程度并不在铜层间应用之前的直接激光熔覆钴。蚀电位显著降低在直接激光复合钴钛的接口没有任何铜夹层,虽然略微降低的情况下铜层间应用、这是归因于面积分数较低的金属间化合物的结构。

确认

部分科技金融支持部门(DST,新德里),科学与工业研究理事会(CSIR,新德里),核科学研究委员会(BRNS、孟买),和海军研究委员会(NRB新德里)是感激地承认。技术与教授讨论我吗哪和a·k·纳教授也感激地承认。

引用

1. Bhat s V。、。生物材料,Narosa出版社:德里,印度,2002。
2. w·m·斯蒂恩激光材料加工施普林格,纽约,纽约,美国,1991年。
3. j·杜塔Majumdar i吗哪,“激光加工材料”,成就法,28卷,不。3 - 4、495 - 562年,2003页。视图:谷歌学术搜索
4. f . g .表壳虫属和p.h.锛”生产航空钛组件使用激光成形,从粉”金属学报,52卷,不。5,28 - 30,2000页。视图:谷歌学术搜索
5. d·斯利瓦斯塔瓦、i t·h . Chang和m . h . Loretto”工艺参数和热处理的影响直接激光装配式多弧离子镀合金的显微组织样本,”金属互化物,9卷,不。12日,第1013 - 1003页,2001年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. w·h·赛义德·和·l·李,“送丝方向和位置的影响在多个层二极管激光直接金属沉积,”应用表面科学,卷248,不。1 - 4、518 - 524年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. j·d·Majumdar a·平克顿吗哪,z . Liu和l·李,“微观结构描述和流程优化的激光辅助快速制造的316 l不锈钢,”应用表面科学,卷247,不。1 - 4、320 - 327年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. t·b·Massalski二元合金相图ASM国际、材料公园,俄亥俄州,美国,1990年。
9. w·c·奥利弗和通用法尔”,改进技术,确定使用载荷和位移传感压痕硬度和弹性模量实验中,“材料研究学报,7卷,不。6,1564 - 1580年,1992页。视图:谷歌学术搜索
10. m·g·丰塔纳腐蚀工程美国麦格劳-希尔,纽约,纽约,1987年。

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