【摘 要】
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金属氧化物陶瓷涂层具有良好的耐蚀性、耐磨性和生物相容性,是近年来医用植入体表面改性的热点材料。本文采用磁控溅射技术在医用TC4钛合金表面制备了Ta2O5、Nb2O5、Zr O2和Ti O2四种金属氧化物涂层以及单层、复合和梯度三种结构的Ta2O5基涂层,围绕涂层的制备、微观结构与性能进行了系统地研究。采用有限元方法分析了TC4表面四种氧化物涂层和三种Ta2O5基涂层的残余热应力。结果表明:（1）四
【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制备及其性能研究》（项目编号是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》（项目编号是20A159）；
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金属氧化物陶瓷涂层具有良好的耐蚀性、耐磨性和生物相容性,是近年来医用植入体表面改性的热点材料。本文采用磁控溅射技术在医用TC4钛合金表面制备了Ta2O5、Nb2O5、Zr O2和Ti O2四种金属氧化物涂层以及单层、复合和梯度三种结构的Ta2O5基涂层,围绕涂层的制备、微观结构与性能进行了系统地研究。采用有限元方法分析了TC4表面四种氧化物涂层和三种Ta2O5基涂层的残余热应力。结果表明:（1）四种氧化物涂层中残余热应力最大值由小到大的顺序是Ti O2（1.03 MPa）＜Zr O2（10.2 MPa）＜Nb2O5（19.7MPa）＜Ta2O5（32.2 MPa）;（2）随着涂层厚度的增加,Nb2O5涂层的残余热应力最大值增大,而Ta2O5、Ti O2和Zr O2涂层的残余热应力最大值呈先减小后增大的变化趋势;（3）当涂层总厚度为4μm时,Ta2O5梯度涂层的残余热应力最大值为27.5 MPa,与单层涂层和复合涂层相比分别降低了15.4%和8.9%。采用磁控溅射技术在TC4表面制备了四种氧化物涂层,研究了不同材料的涂层的微观结构与性能。结果表明:（1）四种涂层均表现为柱状生长模式,其中Ta2O5、Nb2O5和Ti O2涂层呈非晶结构,Zr O2涂层为四方晶相;（3）涂层的附着力由大到小的顺序为Ti O2（大于50N）＞Zr O2（20.32 N）＞Nb2O5（3.442 N）＞Ta2O5（1.91 N）;（4）Ti O2涂层的磨损率为16.45×10-5mm~3N-1M-1,较Ta2O5、Nb2O5和Zr O2涂层分别降低21%、25.6%和31.8%;（5）耐蚀性最好是Zr O2涂层,其次是Ta2O5和Nb2O5涂层,Ti O2涂层的耐蚀性最差。采用磁控溅射技术在TC4表面制备了三种Ta2O5基涂层,研究了不同结构的涂层的微观结构和性能。结果表明:（1）三种涂层呈非晶柱状生长模式;（2）梯度涂层具有最小的表面粗糙度和最好的亲水性,其次是复合涂层和单层涂层;（3）梯度涂层的附着力为25.81 N,较单层和复合分别提高21倍和0.64倍;（4）梯度涂层具有最高的H和H~3/E~2值,较单层分别提高32.9%和72.1%;（5）梯度的磨损率为3.57×10-5mm~3N-1M-1,较单层和复合涂层分别降低78%和34.3%;（6）Ta2O5膜层越厚,表面Ti含量越低,涂层的耐蚀性越好;单层涂层、复合涂层和梯度涂层对TC4的保护效果分别为99.5%、68.6%和53.4%。
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