钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀、耐高温、生物相容性好等特点，在航空航天、国防军工、海洋船舶、生物医疗等领域应用广泛。在航空航天领域，钛及钛合金是飞机的主要结构材料,也是航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的首选材料,被誉为“太空金属”;在海洋领域,钛及钛合金耐海水及海洋大气腐蚀优势突出,成功应用在海洋工程装备、舰船、油气开采、发电站、热能转换、海水淡化装置中,被誉为“海洋金属”;在国防军工领域,除军机军舰外,钛及钛合金还在轻型火炮、装甲车、导弹上获得实际应用;在生物医疗领域,钛及钛合金是骨科和牙科最常用的植入物材料。但钛及钛合金易被氧化、导热性差、硬度低、电位较正,自然条件下即可被氧化,难以长期维持金属光亮色,不耐摩擦磨损,容易发生电偶腐蚀。同时,优异的生物相容性也使得微生物极易在其表面附着,造成产品表面污损,甚至引起细菌感染,阻碍了其实际应用。

合理的表面处理可以改变钛及钛合金产品的表面状态,从而赋予它良好的外观,提高基体性能,甚至获得基体不具备的某些新性能,这对于提高钛及钛合金产品寿命、可靠性及扩展其应用领域具有重要意义。

等离子体表面处理技术

物质的状态可分为固、气、液和等离子体四种状态,等离子体是气体分子或原子受外界因素影响(如热、外加辐射、外加电场等)发生电离、离解产生的离子化气态产物,在宏观上,其呈电中性。目前,产生等离子体主要依靠气体放电,外加电场,使处于电场内的气体分子或原子发生电离,从而得到含有各种粒子的等离子体。

等离子体处理是一种通用的表面改性方法,广泛应用于各种材料的表面改性。其通过含有带电的正离子和负离子气体轰击处理试样表面,能量通过辐射、中性粒子流和离子流的碰撞作用于处理试样表面,从而产生自由基或材料表面发生化学反应。而且处理试样表面会发生刻蚀、交联等物理和化学变化。等离子体改性一般只对材料表面几纳米到几百纳米的表面层进行改性,而不会影响材料的内部性能以及结构。

钛合金等离子处理前后亲水性变化

钛合金等离子处理前后水滴角变化

从上图可以看到经过的等离子活化处理的钛合金表面水滴角度明显下降，亲水性得到了提升，这是因为等离子体处理一方面对钛合金表面进行物理轰击，在表面形成粗化效果，从而达到表面具有较强浸润性的效果。另一方面等离子体处理使得钛合金表面引入活性含氧官能团,提高了钛合金表面的活性，从而改善了表面的亲水性能。

相比于其他传统的材料处理方法(如喷涂、阳极氧化等),等离子体处理钛合金表面具有以下特点:1.只与钛合金表面层发生物理化学反应,作用深度在表面以下几十到几百纳米,对材料固有特性没有影响,可以有效改变材料表面化学成分(如基团种类、含量等)、表面能及表面形貌等,提高亲水性等;2.适用于各种形状的钛合金材料,具有普遍适用性;3.易于控制改性过程且操作简单;4.处理效率高,效果好,绿色环保,满足可持续发展要求。