[发明专利]激光气体氮化与冲击复合改性医用钛合金的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光复合表面改性领域，特指一种针对医用钛合金材料进行激光气体氮化和激光冲击强化的表面改性方法，以有效改善其综合使用性能的激光复合表面改性方法与装置，特别适用于板、棒状结构医用钛合金材料的表面处理。

背景技术

钛合金是目前已知的生物亲和性最好的金属材料之一，具有良好的力学性能、比强度、疲劳抗力及生物相容性，目前在断骨接合、脊柱固定、人工关节等方面有着广泛的应用。然而，如何进一步改善其抗磨抗蚀能力，增强与活体组织的结合力，提高安全使用性是生物钛合金材料推广应用的主要问题。生物环境是一个非常复杂的物理、化学电解质环境，医用钛合金制品长期存在于人体中会发生各种形式的磨损和腐蚀。磨损和腐蚀使得材料的尺寸减小、破坏表面的光洁度，甚至使材料表面产生局部缺陷而造成应力集中，从而导致裂纹或断裂，而临床使用的最大问题正是由腐蚀和过应力导致的植入制品松动和断裂失效。与此同时，即使是相容性好的金属元素，离子溶出和磨屑聚集也要求被控制在一定安全范围内。由于植入材料和医用环境的相互作用仅限于材料表面的数个原子层处，因此，除了改进合金的成分和制备工艺外，表面改性技术是生物金属材料学一个重要的发展方向和研究热点。通过对生物医用钛合金材料的表面改性可以有效地改善其各种性能，使基体的金属特性与表层的生物性能更好地结合起来，为生物医用钛合金材料的应用打下良好的基础。

目前，提高医用钛合金材料耐磨耐蚀和生物相容性能的表面改性技术主要有溶胶凝胶法、离子溅射/注入法、酸/碱处理法、电化学沉积法、等离子高温喷涂法和激光表面改性法等。然而，除了等离子高温喷涂羟基磷灰石（HA）得到临床应用外，其它很少得到实际应用。溶胶凝胶法制得的HA涂层非常均匀、晶粒十分细小，但与基体合金之间的结合力相对较小，在使用过程中容易脱落；传统的离子注入因受离子注入能量的制约，强化层较浅；离子渗碳、渗硼和渗氮等存在着处理周期长和温度高零件易变形等缺点；等离子高温喷涂工艺效率高、涂层均匀、重复性好，但高温喷涂容易引起涂层的相变和脆裂，产生非晶态或热分解成其他磷酸钙盐从而降低了表面活性，并且改性层组织结构疏松且无法与基体形成具有较高结合力的结合界面。激光表面改性技术是激光技术与金属表面加工相结合的产物，是在材料表面施加极高的能量使之发生物理化学变化，从而显著改变材料的耐磨性、耐蚀性和表面硬度。由于激光能量密度高，其加热速度极快、功率输出精确可控，并且可选择性改性局域表面，激光表面改性技术已引起了广泛的关注和重视。

激光气体氮化是利用高能激光束照射工件表面使其熔化形成液相金属熔池，同时氮气在高能激光束辐照作用下与熔池中的高温液相金属发生强烈的化学/冶金反应，从而显著改变熔池中液相金属的化学成分和组成，在快速冷凝后最终形成枝晶状的硬质氮化层，以提高工件表面的耐磨耐蚀性，是一种十分具有应用前景和潜力的表面改性技术。国内外在该方面进行了大量的研究工作，Man H.C.等将激光气体氮化的纯钛和T6Al4V合金置于3.5%NaCl溶液中进行抗点蚀行为的实验，结果表明形成的氮化层较纯钛及钛合金的点蚀抗力提高了12倍之多，大大提高了其耐蚀性能。由于该工艺属于热加工，不可避免得会在加工表面产生有害的残余拉应力和微细裂纹，从而降低了加工件的塑性、疲劳强度和耐蚀性，甚至缩短其使用寿命。激光冲击强化处理能够改善零件表层材料的亚结构、以及产生有益的残余压应力，从而提高零件的疲劳寿命和增强抗应力腐蚀能力。2004年，美国激光冲击技术公司与美国空军实验室开展了F/A-22和F119发动机钛合金损伤叶片的LSP修复研究，损伤叶片经激光冲击处理后疲劳强度为413.7MPa，完全满足叶片使用的设计要求379MPa，取得了巨大成功。目前，LSP技术已应用于F119-PW-100发动机生产线。在医学上，钛合金人造膝关节经激光冲击强化后使用寿命可以从原来的2-3年提高到5-6年，并且减少了病人的手术次数。虽然冲击处理表面的硬度和耐蚀性有了提高，但对于长期在磨损和腐蚀环境下服役的零件来说，表面性能仍显不足。因此将这两种技术相结合，不仅可以得到性能卓越的TN改性层，而且可以去除氮化处理产生的残余拉应力并引入有益的残余压应力，进一步硬化表面和增加改性层深度以及提高材料的抗疲劳和耐应力腐蚀能力，最终得到高质量的改性表面。