氮氢比对TC4合金电弧等离子渗氮表面特性的影响及其在生物医学植入领域的应用研究

　　本文系统探讨了不同氮氢比例下电弧等离子渗氮（Arc Plasma Nitriding）对Ti6Al4V（TC4）合金表面性能的优化作用。研究表明，氮氢比为2:1时能显著提升氮元素扩散效率，形成致密TiN/Ti2N陶瓷层，同步增强合金显微硬度、耐磨性与耐腐蚀性，为生物医用植入体（如骨科/牙科植入物）的长期服役性能提供创新解决方案。

　　

Surface properties analysis

为分析电弧等离子渗氮后的表面产物，对样本进行XRD分析。图2展示了不同处理气氛下渗氮样本的XRD图谱。渗氮后样本图谱中新增的衍射峰与TiN（JCPDS#00-038-1420）和Ti₂N（JCPDS#00-017-0386）相吻合，证实等离子渗氮处理在TC4合金表面成功形成了硬质氮化钛陶瓷层。

Conclusions

本研究采用电弧等离子渗氮方法，探究氮氢气体比例对TC4合金表面性能的影响。该研究为TC4合金表面强化提供了新视角，有助于提升其在生物医学植入领域的长期耐磨性与耐腐蚀性。主要研究结论如下：

1）在电弧等离子渗氮气氛中引入氢气后，渗氮层厚度显著增加。氮氢比为2:1时，渗氮层致密性最佳，TiN与Ti₂N相协同形成连续强化层；

2）渗氮处理使TC4合金表面显微硬度提升至基体的3倍以上，摩擦系数降低至未处理组的1/4，磨损机制从严重粘着磨损转变为轻微磨粒磨损；

3）电化学测试表明，氮氢比为2:1的样本腐蚀电流密度最低（0.32?μA/cm²），较未处理组下降两个数量级，钝化膜稳定性显著增强；

4）氮氢比例通过调控等离子体电离率与氮原子扩散动力学，直接影响渗层结构与性能，其中2:1比例可实现等离子体能量与活性氮物种浓度的最优平衡。