鈦合金表面進(jìn)行滲銅鎳改性提高抗菌性

太原理工大學(xué)以TC4鈦合金為基體材料,通過等離子表面合金化技術(shù),對鈦合金表面進(jìn)行滲銅、鎳改性處理,成功地在其表面制備了抗菌銅鎳改性層。銅鎳合金化處理在太原理工大學(xué)自制的等離子滲金屬爐中進(jìn)行。工藝參數(shù):工件電壓‐400～‐600V,源極電壓‐600～‐800V,極間距15～18mm,保溫溫度850℃,保溫時間3h。源極材料為Ni60Cu40鈦合金板。工作氣體為氬氣。

銅是具有抗菌作用的金屬元素。銅離子與細(xì)胞膜帶電粒子發(fā)生反應(yīng),可破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),并進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)與相應(yīng)的酶結(jié)合,導(dǎo)致其失效。通過在鈦合金表面添加銅,再經(jīng)過特殊的抗菌處理,就能夠獲得抗菌鈦合金。此外,鎳的滲入能有效提高鈦合金的韌性及耐磨性。因此,在TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金表面實(shí)現(xiàn)銅、鎳共滲,對獲得具有優(yōu)良綜合性能的抗菌鈦合金、進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。抗菌試驗(yàn)表明,在相同條件下,未合金化處理過的鈦合金所在培養(yǎng)基,大腸桿菌在隨后的18h中大量繁殖,形成大量菌落;而合金化處理過的鈦合金培養(yǎng)基,大腸桿菌幾乎全部死亡,表明合金化處理后的鈦合金具有良好抗菌殺菌效果。

檢測表明,經(jīng)過合金化處理后,TC4鈦合金表面形成一層均勻致密的改性層,改性層由白亮層和擴(kuò)散層組成。改性層厚度大約為7.5μm,其表面鎳含量為40%左右,銅含量為8%左右(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),并沿深度方向呈梯度下降,不存在成分的突變。可見,改性層與基體為冶金結(jié)合,因此不會發(fā)生剝落等問題。改性層中鎳、銅含量差別較大,這與濺射有關(guān)。在等離子雙輝滲金屬過程中,源極與試樣同時作為陰極產(chǎn)生輝光放電,因此在合金化過程中,源極與試樣都會不可避免地發(fā)生濺射。由于試驗(yàn)采用的源極與試樣均為非純金屬,因而存在元素的擇優(yōu)濺射。在濺射初期,靶材受高能Ar+離子轟擊,由于銅元素的濺射產(chǎn)額明顯高于鎳元素的濺射產(chǎn)額,使得大量銅元素被優(yōu)先濺射,鎳元素的濺射數(shù)量偏少,隨著濺射過程的持續(xù)進(jìn)行,靶材表面含銅量急劇減少,鎳元素含量增高;同時所選靶材本身含鎳量比含銅量高,導(dǎo)致在隨后的過程中,鎳成為供給合金表面合金化的主要元素。此外,在滲金屬過程中,TC4鈦合金在高能Ar+離子和源極離子的雙重轟擊下,表面再次發(fā)生濺射,銅被再次擇優(yōu)濺射,造成成分再分布。最終導(dǎo)致合金化后TC4鈦合金表面銅含量低,鎳含量相對較高。離子的轟擊不僅去除了合金表面鈍化膜,并且在隨后的過程中,引發(fā)聯(lián)極碰撞,使合金表層產(chǎn)生大量晶體缺陷,形成一個高密度缺陷區(qū)。同時,由源極提供的預(yù)滲金屬,保證了合金表面等離子氣氛充足。這些條件確保了鎳、銅合金層的形成。