【摘 要】
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锆基非晶合金由于高硬度、高弹性和良好的生物相容性等特点被医疗器械领域广泛关注,提高表面质量对保证医疗器械的使用性能、使用寿命有着重要意义。但机加工后的医用锆基非晶合金医疗器械表面质量远达不到产品要求,同时,锆基非晶合金医疗器械多为异形件,现有的抛光手段无法满足锆基非晶合金医疗器械对表面质量的要求,缺乏对非晶合金的合适抛光工艺,成为了限制锆基非晶合金医用的关键因素之一。因此采用高效环保的电解质等离子
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目(51735003):非晶合金微创手术器械精密高效制造理论与工艺;
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锆基非晶合金由于高硬度、高弹性和良好的生物相容性等特点被医疗器械领域广泛关注,提高表面质量对保证医疗器械的使用性能、使用寿命有着重要意义。但机加工后的医用锆基非晶合金医疗器械表面质量远达不到产品要求,同时,锆基非晶合金医疗器械多为异形件,现有的抛光手段无法满足锆基非晶合金医疗器械对表面质量的要求,缺乏对非晶合金的合适抛光工艺,成为了限制锆基非晶合金医用的关键因素之一。因此采用高效环保的电解质等离子体抛光技术对其处理。电解质等离子体抛光是一项新兴的综合电化学、流体力学、电磁学、机械学和自动控制的多学科交叉表面光整技术,目前国内外对该技术的研究报道较少,应用于锆基非晶合金的电解质等离子体抛光机理和抛光工艺尚不明确。主要研究内容与结论如下:设计并搭建了实验用环保安全可视化电解质等离子抛光装置。通过观察电解质等离子体抛光过程,分析影响电解质等离子体抛光现象的关键因素,结合电解质等离子体抛光模型的仿真以及对比抛光前后电解质成分及锆基非晶合金表面成分的变化,构建了电解质等离子体抛光物理模型。研究发现锆基非晶合金等离子体抛光的作用机理是当阳极工件通高压电浸入电解质中,直接与高电导率的电解质溶液接触,瞬间短路放出大量的热量,此时阳极表面形成稳定的高阻气层,高压加载在气层上使气层电离,从而产生等离子体通道;该通道使大量离子、电子对锆基非晶合金进行微轰击,使工件表面活化形成氧化锆,但氧化锆的的沸点(4300℃)较气层的温度高无法在气层中汽化蒸发,而气层中的氟离子与氧化锆发生反应生成四氟化锆,其沸点(905℃)较气层温度低,因此在高温高压的气层中汽化蒸发,从而锆基非晶合金表面的氧化层去除,实现抛光效果。研究了电解质各组成成分在电解质等离子体抛光中的作用,研究结果表明氨盐和氟盐的影响程度最大,其中氨盐是为电解质提供电导率,而氟盐则是去除抛光过程中锆基非晶合金表面产生的氧化层。提出Vit105锆基非晶合金电解质等离子体抛光的最优电解质配比,其电解质配比为含氨盐3%、含氟盐0.1%、含钠盐0.03%、含钼盐0.06%以及磺酸盐0.06%。采用单因素实验优化锆基非晶合金电解质等离子体抛光工艺,分析了抛光时间、入水深度和阴极表面积等工艺参数对表面质量的影响,优化了锆基非晶合金电解质等离子体抛光工艺。研究结果表明电解质等离子体抛光锆基非晶合金的去除速率为4μm/min,针对Vit105锆基非晶合金的最优抛光时间是10 min,入水深度20 cm,工件与阴极板距离5cm。在锆基非晶合金产品中应用了电解质等离子体抛光技术,实现锆基非晶合金表面粗糙度从0.12μm下降至0.04μm,光泽度从43.5GU提升至430 GU。
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