医用金属资料作为植入物（人体关节、、骨钉、、血管支架等）必须满足人体正常生涯的要求，，，且能在人体环境中维持良好的力学机能和耐磨损机能[1-7]。。例如，，，人为髋关节必要拥有优良的强度、、优异的耐磨损性和耐委顿机能，，，血管支架必要有较好的弹性、、随体变形能力和委顿机能等。。生物医用金属资料已从早期的金、、银、、钢发展到不锈钢、、钴基合金、、钛及钛合金等[8-9]。。其中，，，β钛合金因其弹性模量低、、生物相容性和耐侵蚀性优良而被宽泛利用于生物医学领域[10-13]。。然而，，，钛合金仍存在一些临床问题，，，如当植入体（尤其是骨关节等）在人体内服役时，，，受到循环应力的作用，，，容易导致理论磨损剥落从而失效。。因而，，，一些学者对医用钛合金进行了理论改性处置，，，以改善资料的理论机能[14-16]。。超快激光加工作为一种理论处置工艺，，，能够在金属理论制备分歧类型的结构，，，有效改善资料的力学机能、、润湿性、、生物相容性等[17-18]。。与传统理论改性技术相比，，，激光理论改性拥有精度高、、矫捷性强、、通用性强等凸起利益。。Bonse等[19]介绍了超快激光理论纹理的最新钻研进展，，，观察了钢和钛合金理论状态（条纹、、凹槽和尖峰）的摩擦学个性。。与抛光样品理论的磨损痕迹相比，，，超快激光加工区的磨损痕迹险些不私见，，，其优异的耐磨性源于激光理论处置时天生的纳米结构。。Florian等[20]钻研批注，，，超快激光烧蚀金属理论形成了纳米级结构，，，其摩擦因数显著降低。。皮秒激光是脉宽为皮秒量级的激光，，，也被称为超快激光，，，因其脉冲短、、峰值功率高、、加工精度高档特点而被宽泛利用于信息、、环境、、生物医学等领域[21-24]。。本文选取皮秒激光直接烧蚀Ti-13Nb-13Zrβ钛合金理论，，，通过调控激光能量和扫描速度等工艺参数，，，在试样理论制备出了分歧的微观结构；探求了激光工艺参数对资料理论描摹的影响，，，并对激光改性后试样的摩擦磨损机能进行了钻研，，，分析了理论微观结构的磨损机理。。

1、、试验

在真空自耗炉中熔炼3次获得Ti-13Nb-13Zrβ钛合金铸锭，，，并使其成分均匀。。随后，，，将铸锭在950℃下铸造，，，得到Φ40mm×160mm的圆柱体坯料。。选取线切割技术将试验样品切成尺寸为4mm×4mm×2mm的长方体，，，顺次用400#~2000#的SiC砂纸打磨样品并抛光，，，先后用95%（体积分数）乙醇和去离子水对样品超声洗濯15min，，，并烘干备用。。

本文选取丽江格镭激光科技有限公司出产的红外皮秒激光器，，，皮秒激光器的光束斑直径为20μm，，，激光反复频率为200kHz，，，扫描线间距为16μm，，，皮秒激光试验的激光功率别离为0.5W和5W，，，扫描速度别离为0.8、、10、、50mm/s，，，对样品理论进行处置。。

利用Fmv-ac-at型显微硬度计丈量样品的显微硬度，，，加载载荷为100g，，，保载功夫为10s，，，每个样品选择3个分歧区域，，，每个区域测9个点（3×3方阵），，，为减小试验误差，，，硬度取均匀值。。选取HT-1000型摩擦磨损试验机在室温下进行盘-销滚动摩擦试验。。选取Φ6mm的WC-Co合金球作为摩擦副，，，旋转速度为336r/min，，，所加砝码质量为250g，，，运行功夫为30min。。选取FEINova400场发射扫描电镜观察和分析激光改性前后试样理论描摹的变动；选取OLS5000激光共聚焦显微镜观察和分析摩擦磨损后的理论描摹。。

2、、了局与会商

2.1激光能量和扫描速度对理论描摹的影响

皮秒激光加工前后Ti-13Nb-13Zrβ钛合金理论描摹的SEM图如图1所示。。图1a、、图1c、、图1e别离为激光功率为0.5W，，，扫描速度为0.8、、10、、50mm/s时皮秒激光加工β钛合金的理论描摹。。从图1a能够看到，，，当激光功率为0.5W、、扫描速度为0.8mm/s时，，，样品理论为大量的微米级柱状结构，，，且其散布均匀。。图1a中实线部门是虚线区域的放大图，，，能够观察到每个柱状结构的顶部都覆盖有纳米条纹结构，，，即激光诱导周期性结构（Laser-inducedPeriodicSurfaceStructure，，，LIPSS）。。由图1c能够看到，，，当激光功率为0.5W、、扫描速度为10mm/s时，，，样品理论描摹看起来像层层的波浪一样，，，由激光烧蚀过的平面和激光热量产生的颗粒组成。。由图1e能够看到，，，当激光功率为0.5W、、扫描速度为50mm/s时，，，在样品理论可观察到激光诱导周期性结构，，，纳米条纹结构的周期为500nm，，，靠近皮秒激光器的波长。。

图 1 皮秒激光烧蚀后 Ti-13Nb-13Zr 合金理论描摹的 SEM 图

Fig.1 SEM images of surface morphology of Ti-13Nb-13Zr alloy after picosecond laser ablation: a) micron spikes;b) ablation topography; c) "wave" topography; d) island shape; e) nano-stripes; f) nano-stripes; g) matrix

图1b、、图1d、、图1f别离为激光功率为5W，，，扫描速度为0.8、、10、、50mm/s时皮秒激光加工β钛合金的理论描摹。。由图1b能够看到，，，当激光功率为5W、、扫描速度为0.8mm/s时，，，样品理论资料被烧蚀去除，，，未形成规定的结构。。对比图1a可知，，，在扫描速度较低前提下，，，过高的激光能量不利于纳米条纹周期性结构的形成。。由图1d可知，，，当激光功率为5W、、扫描速度为10mm/s时，，，样品理论散布着由各类尖峰组成的“小岛”。。由图1f可知，，，当激光功率为5W、、扫描速度为50mm/s时，，，在样品理论观察到激光诱导周期性结构，，，纳米条纹结构的周期为830nm。。在图1e和图1f样品理论都观察到激光诱导周期性结构，，，但是较低能量（0.5W）下LIPSS的均匀性和致密性比高能量（5W）的好。。

综上所述，，，在激光能量一样的前提下，，，低扫描速度能够使激光热量长功夫荟萃和扩散，，，在一样扫描速度下，，，高激光能量对资料理论烧蚀的水平较大。。当扫描速度为0.8mm/s时，，，利用高能量激光束直接刻写样品会使理论资料在热影响作用下汽化，，，使资料理论形成不规定且无固定状态的烧蚀描摹。。当扫描速度为10mm/s时，，，在较高能量下能够获得“岛状”结构，，，这是由于速度的提升使激光产生的热量无法长功夫荟萃在资料理论，，，且在理论极化激元的作用下形成了特殊结构。。当扫描速度提升到50mm/s时，，，0.5W和5W 的激光能量均能够在Ti-13Nb-13Zrβ钛合金理论制备出均匀散布的周期性纳米结构，，，且分歧的激光能量获得的纳米结构周期性尺寸分歧，，，较低能量下获得的LIPSS的均匀性和致密性比高能量下的好，，，这与Bonse等[25]的钻研了局一致。。

2.2激光能量和扫描速度对理论硬度的影响

Ti-13Nb-13Zr合金皮秒激光理论处置前后试样的硬度如表2所示。Ｄ芄豢闯，，，Ti-13Nb-13Zr合金经皮秒激光加工后，，，其理论显微硬度较基体硬度（188HV）显著提高。。当激光功率为0.5W、、扫描速度为50mm/s时，，，获得的周期性纳米结构的理论显微硬度较基体的提高了58.5%。。当激光功率为5W、、扫描速度为50mm/s时，，，获得的周期性纳米结构的理论显微硬度较基体的提高了54.3%。。但在激光功率一样的前提下，，，扫描速度对样品理论显微硬度的影响不显著。。皮秒激光加工Ti-13Nb-13Zrβ钛合金后，，，其理论显微硬度显著提高，，，这重要是由于经皮秒激光加工后，，，样品理论晶粒的细化使理论硬度均获得了显著提高。。

2.3摩擦磨损质量变动与摩擦磨损系数

由于当激光功率为0.5W、、扫描速度为50mm/s时，，，在样品理论制备的周期性纳米结构的均匀性和致密性最好，，，硬度最高，，，所以，，，仅比力激光功率为0.5W、、扫描速度为50mm/s时的周期性纳米结构与基体的摩擦磨损机能。。

摩擦磨损试验后Ti-13Nb-13Zrβ钛合金样品的磨损量和磨损率数据如表3所示。。磨损量的推算公式[26]如式（1）所示。。

式中：：：Mloss为样品在摩擦磨损试验后损失的质量；ρ为样品的密度，，，Ti-13Nb-13Zr合金的密度为4.89g/cm³。。

磨损率的推算公式[26]如式（2）所示。。

式中：：：W为摩擦接触载荷，，，本次试验中为2.5N；L为滑动距离，，，功夫为30min，，，故滑动距离为1266.05m。。由表3可知，，，基体的摩擦磨损失重为0.0032g，，，磨损率为1.01×10^?6；LIPSS试样的摩擦磨损失重为0.0013g，，，磨损率为4.10×10^-7。。经皮秒激光加工处置后，，，Ti-13Nb-13Zrβ钛合金理论晶粒得到显著细化，，，耐磨性得到显著提高。。

Ti-13Nb-13Zr皮秒激光加工前后试样摩擦因数随功夫的变动曲线如图2所示。？芍，，，在0~1min内，，，摩擦因数上升较快，，，此时处于预磨期，，，随后摩擦因数趋于安稳，，，在小领域内颠簸。。Ti-13Nb-13Zrβ钛合金基体的均匀摩擦因数为0.70，，，皮秒激光加工后样品的均匀摩擦因数为0.26，，，相对于基材摩擦因数降落了62.8%。。皮秒激光加工处置使Ti-13Nb-13Zrβ钛合金理论的摩擦磨损机能显著提升。。这是由于皮秒激光加工在不扭转理论结构和无热影响的前提下，，，使表层晶粒组织细化到纳米尺度。。

图 2 基体和 LIPSS 试样的摩擦因数（COF）随磨损功夫的变动曲线

Fig.2 COF with sliding time curves for matrix and LIPSS sample

2.4摩擦磨损描摹与摩擦磨损机理

本文通过激光共聚焦显微镜获取了摩擦磨损试验后基体和LIPSS试样的理论三维描摹。。摩擦磨损试验后基体和LIPSS试样的理论粗糙度和磨痕深度曲线如图3所示。。由图3a可知，，，摩擦磨损试验后基体理论均匀粗糙度为0.024μm，，，摩擦磨损后试样理论平坦，，，没有太大升沉。。由图3b可知，，，皮秒激光改性后LIPSS试样的理论均匀粗糙度为2.119μm，，，摩擦磨损后试样形成了宽为40μm、、深度为6μm的沟壑。。由上述了局可知，，，皮秒激光加工工艺在Ti-13Nb-13Zrβ钛合金理论天生的纳米条纹结构使资料理论粗糙度显著增大。。

图 3 摩擦磨损试验后样品理论粗糙度图像和磨痕深度曲线，，，

Fig.3 Surface roughness images and abrasion depth curves of samples after frictional wear test: a) matrix;b) abrasion depth curves of matrix; c) LIPSS sample; d) abrasion depth curves of LIPSS sample

基材和LIPSS试样的摩擦示意图如图4所示。Ｄ芄还鄄斓，，，由于LIPSS试样理论拥有纳米条纹结构，，，它与摩擦球的接触面积与基材相比显著减小。。在摩擦磨损试验中，，，样品与摩擦球接触容易产生黏着，，，而规定分列的条纹结构降低了黏着的可能性。。此外，，，在摩擦过程中，，，摩擦球与纳米条纹结构的凸峰接触并产生磨损颗粒，，，条纹结构的周期仅有几百纳米，，，磨屑的尺寸也很小，，，这批注磨损颗粒使样品在微切削过程中产生犁沟的截面积减小，，，因而切削阻力也相应减小。。条纹结构的凹槽也能够捕获摩擦界面处产生的磨损颗粒，，，削减摩擦界面磨屑的数量，，，降低犁沟效应。。因而LIPSS试样的摩擦因数小于基材的摩擦因数。。上述了局批注，，，经皮秒激光加工处置后，，，Ti-13Nb-13Zrβ钛合金理论的周期性纳米条纹结构对资料的耐磨性有显著的提升。。同时，，，当脉冲激光烧蚀资料理论时，，，对资料表层施加了极高的能量，，，使资料产生重熔，，，导致资料理论晶粒组织细化，，，强度与硬度提高，，，从而改善了资料摩擦学机能。。

图 4 基材与 LIPSS 试样的摩擦示意图

Fig.4 Schematic diagram of friction mechanism between matrix and LIPSS sample: a) matrix; b) LIPSS sample

金属资料的耐磨职能够通过资料的硬度来衡量。。

这重要是由于硬度越大，，，强度越高，，，微观上分子（原子）间的键接越强，，，原子被外力剥离的可能性就越低，，，耐磨性就越好。。同时，，，资料的硬度还反映了资料抵抗物料压入理论的能力，，，硬度越高，，，物料压入资料理论的深度就越浅，，，抵抗剪切变形的能力就越强，，，越容易阻止黏着磨损的产生，，，切削时产生的磨屑体积就越小，，，即磨损越小，，，耐磨性就越高。。经皮秒激光加工后，，，试样理论晶粒的细化使其理论硬度较基体硬度显著提高，，，因而，，，经皮秒激光加工后样品的耐磨性较基体的更优异。。

经皮秒激光加工后，，，样品的摩擦磨损机理为激光重熔，，，资料理论晶粒组织得到细化，，，强度与硬度相应提高，，，此外，，，LIPSS减小了资料与摩擦副的接触面积，，，削减了磨屑数量，，，减小了黏着的可能性，，，并降低了犁沟效应，，，即理论晶粒细化与理论拥有纳米条纹结构的LIPSS结构使资料的摩擦磨损机能提高。。

3、、结论

选取皮秒激光对Ti-13Nb-13Zrβ钛合金进行了理论处置，，，钻研了分歧激光参数对理论描摹的影响法规，，，探求了皮秒激光理论处置对资料耐磨性的影响。。

重要结论如下：：：

1）当扫描速度为50mm/s、、激光功率为0.5W时，，，在Ti-13Nb-13Zrβ钛合金理论天生了周期为500nm的纳米条纹结构；当扫描速度为50mm/s、、激光功率为5W时，，，在Ti-13Nb-13Zrβ钛合金理论天生了周期为830nm的纳米条纹结构；当扫描速度固按时，，，LIPSS的周期性会随着能量的变动而变动。。

2）在摩擦磨损过程中，，，基体的摩擦因数为0.70，，，经皮秒激光理论处置的、、拥有LIPSS结构试样的摩擦因数为0.26，，，与基体相比，，，经皮秒激光加工后，，，试样的摩擦因数降低了约62.8%，，，其耐磨性显著提升。。皮秒激光加工试样的理论均匀粗糙度为2.119μm，，，相较于母材的（0.024μm）显著增大。。这是由于LIPSS降低了资料与摩擦副的接触面积，，，从而减小了黏着的可能性。。在条纹结构的凹槽处能够捕获摩擦界面处的磨损颗粒，，，削减磨屑数量。。理论纳米结构使产生的磨屑尺寸较小，，，从而降低了犁沟效应。。LIPSS在改善资料摩擦学机能方面有极大的利用潜力。。

将来能够通过电化学尝试对激光修饰改性后样品的耐蚀机能进行检测，，，探求LIPSS对资料耐蚀机能的影响法规，，，能够通过进行生物尝试对植入物资料激光改性前后生物相容性的演变进行分析，，，使激光改性工艺在生物医学领域能够得到更好的利用。。

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