【摘 要】
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氧化铌陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性和生物相容性,是目前金属植入体表面改性的热点材料。但是,氧化铌与金属的物性参数不匹配,两者直接结合会产生较大的界面应力和涂层内应力,导致涂层容易开裂、分层和脱落。为提高涂层与基体的结合强度,本文在医用Ti6Al4V表面设计了一种新型的Nb2O5/Nb2O5-Ti/Ti梯度涂层,并以Nb2O5、Nb2O5/Ti和Nb2O5/Nb2O5+Ti/Ti为对照,围绕涂层的制
【基金项目】
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湖南省自然科学基金项目《医用镁合金表面功能梯度涂层的备及其性能研究》（编号2020JJ6079）； 湖南省教育厅科学研究重点项目《医用钛合金表面梯度陶瓷复合涂层的微观结构与性能研究》（编号20A159）；
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氧化铌陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性和生物相容性,是目前金属植入体表面改性的热点材料。但是,氧化铌与金属的物性参数不匹配,两者直接结合会产生较大的界面应力和涂层内应力,导致涂层容易开裂、分层和脱落。为提高涂层与基体的结合强度,本文在医用Ti6Al4V表面设计了一种新型的Nb2O5/Nb2O5-Ti/Ti梯度涂层,并以Nb2O5、Nb2O5/Ti和Nb2O5/Nb2O5+Ti/Ti为对照,围绕涂层的制备、残余应力、微观结构和性能展开了系统地研究。基于功能梯度材料理论,设计了新型Nb2O5/Nb2O5-Ti/Ti功能梯度涂层。该涂层的外层Nb2O5为功能层,具有耐磨和防腐作用,中间梯度层Nb2O5-Ti和粘接层Ti用于提高涂层的结合强度。采用有限元方法分析了Nb2O5单层、Nb2O5/Ti双层、Nb2O5/Nb2O5+Ti/Ti复合层和Nb2O5/Nb2O5-Ti/Ti梯度层（代号分别为NO1、NO2、NO3和NO4）四种Nb2O5基涂层的残余应力分布特征,探讨了中间梯度层Nb2O5-Ti的层数与厚度以及粘结层Ti的厚度对NO4涂层残余应力的影响规律,并利用正交法优化了NO4的结构。结果表明:（1）NO4涂层的最大残余应力为11.4 MPa,较NO1（22.5 MPa）、NO2（21.5 MPa）和NO3（12.7 MPa）涂层分别减小49.3%、44.8%和10.2%;（2）当梯度层数由1增加到6时,NO4涂层的残余应力最大值由12.6 MPa减小到11.7 MPa,但层数继续增大到8时,残余应力最大值无明显变化;（3）随着梯度层的厚度由0.25μm增大到0.45μm,NO4涂层的残余应力最大值由12.4 MPa降低到11.4 MPa;（4）当粘接层Ti的厚度由0.25μm增大到0.45μm时,NO4涂层的残余应力变化增幅小于2%;（5）NO4涂层的最优结构参数组合是:梯度层的层数为6,厚度为0.4μm,粘结层的厚度为0.35μm。采用磁控溅射技术在Ti6Al4V表面制备了NO1、NO2、NO3和NO4涂层,研究了涂层的微观结构与性能。结果表明:（1）所有涂层均为柱状非晶结构;（2）NO4涂层的附着力大于50 N,较NO1、NO2和NO3涂层分别提高21倍和0.64倍;（3）亲水性能、附着性能、力学性能和摩擦学性能由高到低的顺序是NO4＞NO3＞NO2和NO1;（4）四种涂层都能提高Ti6Al4V的耐蚀性能,其中NO1涂层的耐腐蚀性最佳。
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