铜是具有抗菌作用的金属元素。铜离子与细胞膜带电粒子发生反应,可破坏细胞膜结构,并进入细胞体内与相应的酶结合,导致其失效。通过在钛合金表面添加铜,再经过特殊的抗菌处理,就能够获得抗菌钛合金。此外,镍的渗入能有效提高钛合金的韧性及耐磨性。因此,在TC4(Ti-6Al-4V)合金表面实现铜、镍共渗,对获得具有优良综合性能的抗菌钛合金、进一步拓宽其应用领域具有重要的现实意义。

　　太原理工大学以TC4合金为基体材料,通过等离子表面合金化技术,对钛合金表面进行渗铜、镍改性处理,成功地在其表面制备了抗菌铜镍改性层。铜镍合金化处理在太原理工大学自制的等离子渗金属炉中进行。工艺参数:工件电压‐400～‐600V,源极电压‐600～‐800V,极间距15～18mm,保温温度850℃,保温时间3h。源极材料为Ni60Cu40合 金 板。工作气体为氩气。

　　检测表明,经过合金化处理后,TC4合金表面形成一层均匀致密的改性层,改性层由白亮层和扩散层组成。改性层厚度大约为7.5μm,其表面镍含量为40%左右,铜含量为8%左右(质量分数),并沿深度方向呈梯度下降,不存在成分的突变。可见,改性层与基体为冶金结合,因此不会发生剥落等问题。改性层中镍、铜含量差别较大,这与溅射有关。在等离子双辉渗金属过程中,源极与试样同时作为阴极产生辉光放电,因此在合金化过程中,源极与试样都会不可避免地发生溅射。由于试验采用的源极与试样均为非纯金属,因而存在元素的择优溅射。在溅射初期,靶材受高能Ar+离子轰击,由于铜元素的溅射产额明显高于镍元素的溅射产额,使得大量铜元素被优先溅射,镍元素的溅射数量偏少,随着溅射过程的持续进行,靶材表面含铜量急剧减少,镍元素含量增高;同时所选靶材本身含镍量比含铜量高,导致在随后的过程中,镍成为供给合金表面合金化的主要元素。此外,在渗金属过程中,TC4合金在高能Ar+离子和源极离子的双重轰击下,表面再次发生溅射,铜被再次择优溅射,造成成分再分布。最终导致合金化后TC4合金表面铜含量低,镍含量相对较高。离子的轰击不仅去除了合金表面钝化膜,并且在随后的过程中,引发联极碰撞,使合金表层产生大量晶体缺陷,形成一个高密度缺陷区。同时,由源极提供的预渗金属,保证了合金表面等离子气氛充足。这些条件确保了镍、铜合金层的形成。

　　抗菌试验表明,在相同条件下,未合金化处理过的钛合金所在培养基,大肠杆菌在随后的18h中大量繁殖,形成大量菌落;而合金化处理过的钛合金培养基,大肠杆菌几乎全部死亡,表明合金化处理后的钛合金具有良好抗菌杀菌效果。