專利名稱：在鈦合金表面制備羥基磷灰石復合梯度涂層的方法
技術領域：
本發明涉及一種在鈦合金表面制備復合梯度涂層的方法。
背景技術：
鈦合金作為骨替代材料被廣泛應用于生物醫學材料領域，限制其使用的關鍵技術是生物活性較低，以及彈性模量高于人骨彈性模量，從而在植入后引起應カ屏蔽效應。在鈦合金表面制備輕基磷灰石(Hydroxyapatite, HAp)涂層是提高其生物活性的最主要方法之一。而解決應カ屏蔽效應的主要方法是制備復合梯度涂層。目前，在鈦合金表面制備HAp涂層的方法很多，大部分需要在較高溫度下完成，由 于鈦合金與羥基磷灰石之間熱膨脹系數差異較大，從而在降溫過程中引起涂層與基底之間出現較大的殘余熱應力，導致二者之間的結合強度較低，植入后涂層易剝落。文獻“等離子噴涂生物活性梯度涂層的殘余應カ與結合強度，王迎軍，寧成云，陳楷等，無機材料學報，1998，13(4) :529-534. ”提出將40%、20%、0%含量的生物活性玻璃加入到HAp中，分3次采用等離子噴涂法噴涂到鈦合金表面，實現成分的梯度分布。文獻“光熔覆鈦基生物陶瓷涂層的制備及其界面研究，鄭敏，樊丁，李秀坤，張建斌，劉其斌.稀有金屬材料與工程.2009，38 (11) ”將含有80%、40%、0%Ti粉的混合粉末分三次涂覆在基底上，分別對其進行激光熔覆制備涂層，得到具有成分梯度的涂層。以上方法是具有代表性的在鈦合金表面制備復合梯度涂層的思路，即首先配制具有梯度成分的復合粉末，首先預制ー層涂層在鈦合金基底表面，并在一定溫度下使得該復合粉末與基底形成冶金結合，再進行第二層、第三層涂層的制備，從而實現涂層的成分梯度。利用該思路需要進行多次制備才能得到復合梯度涂層，一方面増加了制備成本，另ー方面涂層截面過渡并不均勻。
發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明提供一種在鈦合金表面制備羥基磷灰石復合梯度涂層的方法，采用瞬間液相法一步制備復合梯度涂層，簡化涂層制備エ藝，降低成本、提高效率。本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟(a)對待制備的鈦合金表面進行打磨以去除表面氧化層，井清洗、烘干；(b)在鈦合金表面制備ー層純金屬Ni，對于板狀鈦合金，可將Ni箔(厚度0. 05-0. 3mm)置于鈦合金板材上，采用擴散焊方法在900°C，4MPa壓カ下保溫I小時；對于異型鈦合金，可以采用電鍍方法在鈦合金表面引入Ni層，Ni層厚度為0. 005-0. 08mm ；(c)用質量比為2:1的無水こ醇與HAp粉混合，采用超聲或攪拌器混合制成漿料，均勻涂覆在制備了 Ni層的預制鈦合金表面，涂覆層厚度達到0. 1-0. 3_，干燥后放入真空爐內，以10° C/min的速度分階段升溫至1050°C，保溫I小時后，爐冷。本發明的有益效果是本發明采用瞬間液相法，利用金屬Ti原子和金屬Ni原子在其共晶點(942°C )發生相互擴散，在極短的時間內形成液相，浸潤HAp粉，與鈦合金基底形成冶金結合，形成的復合梯度涂層與鈦合金基底之間的結合強度提高到了 40-88MPa。下面結合附圖和實施例對本發明進ー步說明。
圖I是Ni箔與鈦合金基底擴散鏈接示意圖。圖I中，ト鈦合金，2-上壓頭，3-隔熱阻焊層，4-鎳箱，5-基座，6-連接件。圖2是異形鈦合金電鍍Ni層示意圖。圖2中，I-異形鈦合金，2-鍍層件，3-預制件。
具體實施方式
參照附圖。實施例I :在平板形Ti-6A1_4V基底表面制備HA復合梯度涂層。選取平板形Ti-6A1-4V鈦合金I，在鈦合金I (上銑深1mm、長寬均為50mm的槽，用砂紙打磨以去除表面氧化層，經丙酮、酒精超聲波清洗20min后，用二次蒸餾水沖洗干凈，并烘干。選取尺寸為0. ImmX 50mmX50mm的鎳箔4，將其平鋪于鈦合金I的槽內，置于上壓頭2、隔熱阻焊層3及基座5之間，在擴散焊爐中900°C，4MPa下保溫I小時進行擴散連接，得到連接件6。將質量比為2:1的無水こ醇與HA粉混合，采用超聲或攪拌器混合制成漿料，均勻涂刷于連接件6的鎳箔表面，涂覆層厚度達到0. 1-0. 3mm，得到預制件。將該預制件置于真空爐中，以10° C/min的速度分階段升溫至1050°C，保溫I小時后隨爐冷卻。經測試，所制備的復合梯度涂層成分為HA/Ti2Ni，平均厚度為0. 25mm，復合涂層與鈦合金表面形成化合鍵，平均拉伸結合強度達88MPa。實施例2 :在異形Ti-6A1_4V基底表面制備HA復合梯度涂層。對于異形Ti-6A1_4V鈦合金1，用砂紙打磨以去除表面氧化層，經丙酮、酒精超聲波清洗20min后，用二次蒸餾水沖洗干凈，并烘干。將鈦合金I置于電鍍槽中作為陰極，進行電鍍鎳，獲得鍍層件2。將質量比為2:1的無水こ醇與HA粉混合，采用超聲或攪拌器混合制成漿料，均勻涂刷于鍍層件2表面，涂覆層厚度達到0. 05-0. 2mm，得到預制件3。將該預制件3置于真空爐中，以10° C/min的速度分階段升溫至1050°C，保溫I小時后隨爐冷卻。經測試，所制備的復合梯度涂層成分為HA/Ti2Ni，平均厚度為0. 13mm,復合涂層與鈦合金表面形成化合鍵，平均拉伸結合強度達50MPa。實施例3 :在平板形Ti-4A1_2. 5Fe基底表面制備HA復合梯度涂層。選取平板形Ti-4Al-2. 5Fe鈦合金I，在鈦合金I (上銑深1mm、長寬均為50mm的槽，用砂紙打磨以去除表面氧化層，經丙酮、酒精超聲波清洗20min后，用二次蒸餾水沖洗干凈，并烘干。選取尺寸為0. ImmX50mmX50mm的鎳箔4，將其平鋪于鈦合金I的槽內，置于上壓頭2、隔熱阻焊層3及基座5之間，在擴散焊爐中900°C，4MPa下保溫I小時進行擴散連接，得到連接件6。將質量比為2:1的無水こ醇與HA粉混合，采用超聲或攪拌器混合制成漿料，均勻涂刷于連接件6的鎳箔表面，涂覆層厚度達到0. 1-0. 3mm，得到預制件。將該預制件置于真空爐中，以10° C/min的速度分階段升溫至1050°C，保溫I小時后隨爐冷卻。經測試，所制備的復合梯度涂層成分為HA/Ti2Ni，平均厚度為0. 28mm,復合涂層與鈦合金表面形成化合鍵，平均拉伸結合強度達54MPa。
實施例4 :在異形Ti-4A1_2. 5Fe基底表面制備HA復合梯度涂層。
對于異形Ti-4A1_2. 5Fe鈦合金1，用砂紙打磨以去除表面氧化層，經丙酮、酒精超聲波清洗20min后，用二次蒸餾水沖洗干凈，并烘干。將鈦合金I置于電鍍槽中作為陰扱，進行電鍍鎳，獲得鍍層件2。將質量比為2:1的無水こ醇與HA粉混合，采用超聲或攪拌器混合制成漿料，均勻涂刷于鍍層件2表面，涂覆層厚度達到0. 05-0. 2mm，得到預制件3。將該預制件3置于真空爐中，以10° C/min的速度分階段升溫至1050°C，保溫I小時后隨爐冷卻。經測試，所制備的復合梯度涂層成分為HA/Ti2Ni，平均厚度為0. 09mm,復合涂層與鈦合金表面形成化合鍵，平均拉伸結合強度達40MPa。實施例5 :在平板形Ti-6Al_7Nb基底表面制備HA復合梯度涂層。選取平板形Ti-6Al-7Nb鈦合金1，在鈦合金1(上銑深1mm、長寬均為50mm的槽，用砂紙打磨以去除表面氧化層，經丙酮、酒精超聲波清洗20min后，用二次蒸餾水沖洗干凈，并烘干。選取尺寸為0. ImmX50mmX50mm的鎳箔4，將其平鋪于鈦合金I的槽內，置于上壓頭2、隔熱阻焊層3及基座5之間，在擴散焊爐中900°C，4MPa下保溫I小時進行擴散連接，得到連接件6。將質量比為2:1的無水こ醇與HA粉混合，采用超聲或攪拌器混合制成漿料，均勻涂刷于連接件6的鎳箔表面，涂覆層厚度達到0. 1-0. 3mm，得到預制件。將該預制件置于真空爐中，以10° C/min的速度分階段升溫至1050°C，保溫I小時后隨爐冷卻。經測試，所制備的復合梯度涂層成分為HA/Ti2Ni，平均厚度為0. 3mm，復合涂層與鈦合金表面形成化合鍵，平均拉伸結合強度達74MPa。實施例4 :在異形Ti-6Al_7Nb基底表面制備HA復合梯度涂層。對于異形Ti-6Al_7Nb鈦合金1，用砂紙打磨以去除表面氧化層，經丙酮、酒精超聲波清洗20min后，用二次蒸餾水沖洗干凈，并烘干。將鈦合金I置于電鍍槽中作為陰極，進行電鍍鎳，獲得鍍層件2。將質量比為2:1的無水こ醇與HA粉混合，采用超聲或攪拌器混合制成漿料，均勻涂刷于鍍層件2表面，涂覆層厚度達到0. 05-0. 2mm，得到預制件3。將該預制件3置于真空爐中，以10° C/min的速度分階段升溫至1050°C，保溫I小時后隨爐冷卻。經測試，所制備的復合梯度涂層成分為HA/Ti2Ni，平均厚度為0. 1mm，復合涂層與鈦合金表面形成化合鍵，平均拉伸結合強度達53MPa。
權利要求
1.一種在鈦合金表面制備羥基磷灰石復合梯度涂層的方法，其特征在于包括下述步驟 (a)對待制備的鈦合金表面進行打磨以去除表面氧化層，并清洗、烘干； (b)在鈦合金表面制備一層純金屬Ni； (c)用質量比為2:1的無水乙醇與HAp粉混合制成漿料，均勻涂覆在制備了Ni層的鈦合金表面，涂覆層厚度達到0. 1-0. 3_，干燥后放入真空爐內，以10° C/min的速度分階段升溫至1050°C，保溫I小時后，爐冷。
2.根據權利要求I所述的在鈦合金表面制備羥基磷灰石復合梯度涂層的方法，其特征在于所述的步驟(2)將厚度為0. 05-0. 3mm的Ni箔置于鈦合金板材上，采用擴散焊方法在900°C、4MPa壓力下保溫I小時。
3.根據權利要求I所述的在鈦合金表面制備羥基磷灰石復合梯度涂層的方法，其特征在于所述的步驟(2)采用電鍍方法在鈦合金表面引入Ni層，Ni層厚度為0. 005-0. 08mm。
全文摘要
本發明公開了一種在鈦合金表面制備羥基磷灰石復合梯度涂層的方法，對待制備的鈦合金表面進行打磨以去除表面氧化層，并清洗、烘干；在鈦合金表面制備一層純金屬Ni；用質量比為2:1的無水乙醇與HAp粉混合制成漿料，均勻涂覆在制備了Ni層的鈦合金表面，涂覆層厚度達到0.1-0.3mm，干燥后放入真空爐內，以10°C/min的速度分階段升溫至1050℃，保溫1小時后，爐冷。本發明簡化涂層制備工藝，降低成本、提高效率。
文檔編號C23C24/10GK102650048SQ201210160189
公開日2012年8月29日 申請日期2012年5月22日 優先權日2012年5月22日
發明者葉雅靜, 尹大川, 李亞鵬, 熊江濤, 王鵬燕 申請人:西北工業大學