一種在鈦合金表面微弧氧化制備耐磨生物陶瓷膜層的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于冶金技術領域，具體涉及一種在鈦合金表面微弧氧化制備耐磨生物陶瓷膜層的方法。
【背景技術】
[0002]隨著現代外科技術及假體設計的不斷發展，髖關節置換術(HA)已經成為治療終末期髖關節疾病最為有效方法。相比傳統金屬對聚乙烯HA假體，金屬對金屬假體(Metal-on-metal,MOM)以其低磨損，低脫位等優勢吸引著眾多的關節外科醫生的眼球。眾所周知，在MOM設計中，反應性蛋白質在金屬摩擦層中起關鍵作用，但對摩擦層更多物質基礎的認識仍然很少。因此，開發一種能解決上述技術問題的假體材料是非常必要的。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提供一種在鈦合金表面微弧氧化制備耐磨生物陶瓷膜層的方法。
[0004]本發明的目的是這樣實現的，包括預處理、微弧氧化、后處理步驟，具體包括:
A、預處理:將鈦合金試樣進行表面打磨處理至試樣表面無劃痕，烘干備用；
B、微弧氧化:將預處理后的鈦合金試樣懸掛在電解液中作為陽極，不銹鋼電解槽作為陰極，進行微弧氧化；
C、后處理:將微弧氧化后的試樣用去離子水洗凈，再經超聲波清洗儀清洗，干燥后得到具有耐磨生物陶瓷膜層的鈦材。
[0005]美國和德國的多位科學家組成了一個聯合研究小組，針對MOM摩擦層的物質結構組成進行一項實驗研究，并于2011年在Science雜志公布了其研究報告。該研究結果證實，回收自患者的MOM-HA假體金屬摩擦層中含有石墨顆粒，這將有助于解釋MOM假體低磨損的原因。
[0006]本發明是在乙酸鈣-磷酸鹽基礎電解液體系中添加微米級石墨顆粒，制備得到具有良好耐磨性的生物多孔陶瓷膜層。
[0007]本發明的有益效果:
1、本發明中添加的石墨顆粒具有良好的潤滑性，且硬度高，化學性質穩定，在微弧氧化成膜過程中，不易同其它離子反應。而且，石墨顆粒的添加能夠抑制微裂紋的增殖，提高膜層結合力。因此，同常規微弧氧化相比，該膜層具有良好的耐磨損性能。
[0008]2、本發明添加的石墨顆粒粒徑為2.5 μπι，比大部分微孔孔徑小，因此，石墨顆粒會通過熔融物通道浸入到致密層中，堵塞致密層中細小孔洞，從而提高致密層的致密度。當植入體植入到生物體內時，減少了鈦合金基體中的金屬離子向外游離的機會，抑制了組織感染的可能性。
[0009]3、本發明的可控性高，有利于控制，其石墨顆粒價格便宜，成本低，應用范圍較廣，可以批量生產。
【附圖說明】
[0010]圖1在鈦合金表面微弧氧化制備耐磨多孔生物陶瓷膜層的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0011]下面結合實施例對本發明作進一步的說明，但不以任何方式對本發明加以限制，基于本發明教導所作的任何變換或替換，均屬于本發明的保護范圍。
[0012]本發明所述的在鈦合金表面微弧氧化制備耐磨生物陶瓷膜層的方法，包括預處理、微弧氧化、后處理步驟，具體包括:
A、預處理:將鈦合金試樣進行表面打磨處理至試樣表面無劃痕，烘干備用；
B、微弧氧化:將預處理后的鈦合金試樣懸掛在電解液中作為陽極，不銹鋼電解槽作為陰極，進行微弧氧化；
C、后處理:將微弧氧化后的試樣用去離子水洗凈，再經超聲波清洗儀清洗，干燥后得到具有耐磨生物陶瓷膜層的鈦材。
[0013]B步驟中所述的電解液的配方為乙酸鈣、EDTA_2Na、磷酸二氫鉀和微米級石墨粉，其質量濃度比為 3.5:5.6:1.4:1~1.8:2.8:0.7:1。
[0014]所述的微弧氧化的電源參數為:正向電流設定為10~25A/dm2，負向電流為5~10A/dm2，正負占空比為10~40%，頻率為400~900Hz，正負脈沖數為I，氧化時間為5~20min。
[0015]所述的電解液在復合微弧氧化過程中的溫度均控制在10~30°C。
[0016]在微弧氧化過程中，所用的電源為脈沖電源；采用恒流模式，電源參數設定為:正向電流設定為10~25A/dm2，負向電流為5~10A/dm2，正負占空比為10~40%，頻率為400~900Hz，正負脈沖數為1，氧化時間為5~20min。電解槽中電解液的溫度因有循環水，保持室溫即可(即10-30 °C) ο
[0017]下面以實施例對本發明做進一步說明:
實施例1
A、預處理:將鈦合金TC4切割成圓柱形鈦材，在試樣的上方打孔，對鈦合金進行表面打磨處理至試樣表面無明顯劃痕，最后去離子水洗，自然烘干；
B、微弧氧化:將預處理好的鈦合金試樣作為陽極懸掛在電解液中，不銹鋼電解槽為陰極，進行分階段微弧氧化。電解液配方為:乙酸鈣:176.18g，EDTA-2Na:279.18g、磷酸二氫鉀68.045g、微米級石墨粉:25g、蒸餾水:5L。電源參數為:正向電流設定為ΙΟΑ/dm2，負向電流為7A/dm2，正負占空比為25%，頻率為450Hz，正負脈沖數為1，氧化時間為5min。電解槽中電解液的溫度因有循環水，保持室溫即可。
[0018]C、將微弧氧化制備的試樣用去離子水洗凈，再放到超聲波清洗儀中清洗，最后干燥。
[0019]D、經摩擦磨損試驗機測試得到，該實施例所得復合氧化膜層磨損量為常規微弧氧化膜層的20%，經SEM觀察得到，膜層表面有微裂紋出現。
[0020]實施例2
A、預處理:將鈦合金TC4切割成圓柱形鈦材，在試樣的上方打孔，對鈦合金進行表面打磨處理至試樣表面無明顯劃痕，最后去離子水洗，自然烘干； B、微弧氧化:將預處理好的鈦合金試樣作為陽極懸掛在電解液中，不銹鋼電解槽為陰極，進行分階段微弧氧化。電解液配方為:乙酸鈣:176.18g，EDTA-2Na:279.18g、磷酸二氫鉀68.045g、微米級石墨粉:50g、蒸餾水:5L。電源參數為:正向電流設定為15A/dm2，負向電流為7A/dm2，正負占空比為40%，頻率為600Hz,正負脈沖數為1，氧化時間為lOmin。電解槽中電解液的溫度因有循環水，保持室溫即可。
[0021]C、將微弧氧化制備的試樣用去離子水洗凈，再放到超聲波清洗儀中清洗，最后干燥。
[0022]D、經摩擦磨損試驗機測試得到，該實施例所得復合氧化膜層磨損量為常規微弧氧化膜層的35.4%。經SEM觀察得到，膜層表面有少許微裂紋出現。
[0023]實施例3
A、預處理:將鈦合金TC4切割成圓柱形鈦材，在試樣的上方打孔，對鈦合金進行表面打磨處理至試樣表面無明顯劃痕，最后去離子水洗，自然烘干；
B、微弧氧化:將預處理好的鈦合金試樣作為陽極懸掛在電解液中，不銹鋼電解槽為陰極，進行分階段微弧氧化。電解液配方為:乙酸鈣:176.18g，EDTA-2Na:279.18g、磷酸二氫鉀68.045g、微米級石墨粉:100g、蒸餾水:5L。電源參數為:正向電流設定為25A/dm2，負向電流為ΙΟΑ/dm2，正負占空比為40%，頻率為900Hz,正負脈沖數為1，氧化時間為20min。電解槽中電解液的溫度因有循環水，保持室溫即可。
[0024]C、將微弧氧化制備的試樣用去離子水洗凈，再放到超聲波清洗儀中清洗，最后干燥。
[0025]D、經摩擦磨損試驗機測試得到，該實施例所得復合氧化膜層磨損量為常規微弧氧化膜層的53%。經SEM觀察得到，膜層表面有少量微裂紋出現。
【主權項】
1.一種在鈦合金表面微弧氧化制備耐磨生物陶瓷膜層的方法，其特征在于包括預處理、微弧氧化、后處理步驟，具體包括: A、預處理:將鈦合金試樣進行表面打磨處理至試樣表面無劃痕，烘干備用； B、微弧氧化:將預處理后的鈦合金試樣懸掛在電解液中作為陽極，不銹鋼電解槽作為陰極，進行微弧氧化； C、后處理:將微弧氧化后的試樣用去離子水洗凈，再經超聲波清洗儀清洗，干燥后得到具有耐磨生物陶瓷膜層的鈦材。2.根據權利要求1所述的在鈦合金表面微弧氧化制備耐磨生物陶瓷膜層的方法，其特征在于B步驟中所述的電解液的配方為乙酸鈣、H)TA-2Na、磷酸二氫鉀和微米級石墨粉，其質量濃度比為 3.5:5.6:1.4:1~1.8:2.8:0.7:1。3.根據權利要求1所述的在鈦合金表面微弧氧化制備耐磨生物陶瓷膜層的方法，其特征在于所述的微弧氧化的電源參數為:正向電流設定為10~25A/dm2，負向電流為5~10A/dm2，正負占空比為10~40%，頻率為400~900Hz，正負脈沖數為I，氧化時間為5~20min。4.根據權利要求1所述的在鈦合金表面微弧氧化制備耐磨生物陶瓷膜層的方法，其特征在于所述的電解液在復合微弧氧化過程中的溫度均控制在10~30°C。
【專利摘要】本發明公開了一種在鈦合金表面微弧氧化制備生物陶瓷膜層的方法，包括預處理、分階段復合微弧氧化、后處理步驟，本發明是在乙酸鈣-磷酸鹽基礎電解液體系中添加微米級石墨顆粒，制備得到具有良好耐磨性的生物多孔陶瓷膜層，電解液由乙酸鈣、EDTA-2Na、磷酸二氫鉀和微米級石墨粉配制而成，其質量濃度比為3.5：5.6：1.4：1~1.8：2.8：0.7：1。該方法顯著提高了微弧氧化膜層的耐磨性，可有效提高植入體在生物組織內的使用壽命。
【IPC分類】C25D11/26, C25D15/00
【公開號】CN105002546
【申請號】CN201510481071
【發明人】楊鋼, 嚴繼康, 倪爾鑫, 吳云峰, 孫彥華
【申請人】昆明冶金研究院
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年8月8日