[发明专利]在钛合金表面制备羟基磷灰石复合梯度涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在钛合金表面制备复合梯度涂层的方法。

背景技术

钛合金作为骨替代材料被广泛应用于生物医学材料领域，限制其使用的关键技术是生物活性较低，以及弹性模量高于人骨弹性模量，从而在植入后引起应力屏蔽效应。在钛合金表面制备羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HAp）涂层是提高其生物活性的最主要方法之一。而解决应力屏蔽效应的主要方法是制备复合梯度涂层。

目前，在钛合金表面制备HAp涂层的方法很多，大部分需要在较高温度下完成，由于钛合金与羟基磷灰石之间热膨胀系数差异较大，从而在降温过程中引起涂层与基底之间出现较大的残余热应力，导致二者之间的结合强度较低，植入后涂层易剥落。

文献“等离子喷涂生物活性梯度涂层的残余应力与结合强度，王迎军，宁成云，陈楷等，无机材料学报，1998,13(4):529-534.”提出将40%、20%、0%含量的生物活性玻璃加入到HAp中，分3次采用等离子喷涂法喷涂到钛合金表面，实现成分的梯度分布。文献“光熔覆钛基生物陶瓷涂层的制备及其界面研究，郑敏，樊丁，李秀坤，张建斌，刘其斌.稀有金属材料与工程.2009，38(11)”将含有80%、40%、0%Ti粉的混合粉末分三次涂覆在基底上，分别对其进行激光熔覆制备涂层，得到具有成分梯度的涂层。以上方法是具有代表性的在钛合金表面制备复合梯度涂层的思路，即首先配制具有梯度成分的复合粉末，首先预制一层涂层在钛合金基底表面，并在一定温度下使得该复合粉末与基底形成冶金结合，再进行第二层、第三层涂层的制备，从而实现涂层的成分梯度。利用该思路需要进行多次制备才能得到复合梯度涂层，一方面增加了制备成本，另一方面涂层截面过渡并不均匀。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种在钛合金表面制备羟基磷灰石复合梯度涂层的方法，采用瞬间液相法一步制备复合梯度涂层，简化涂层制备工艺，降低成本、提高效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

（a）对待制备的钛合金表面进行打磨以去除表面氧化层，并清洗、烘干；

（b）在钛合金表面制备一层纯金属Ni，对于板状钛合金，可将Ni箔（厚度0.05-0.3mm）置于钛合金板材上，采用扩散焊方法在900℃，4MPa压力下保温1小时；对于异型钛合金，可以采用电镀方法在钛合金表面引入Ni层，Ni层厚度为0.005-0.08mm；

（c）用质量比为2:1的无水乙醇与HAp粉混合，采用超声或搅拌器混合制成浆料，均匀涂覆在制备了Ni层的预制钛合金表面，涂覆层厚度达到0.1-0.3mm，干燥后放入真空炉内，以10°C/min的速度分阶段升温至1050℃，保温1小时后，炉冷。

本发明的有益效果是：本发明采用瞬间液相法，利用金属Ti原子和金属Ni原子在其共晶点（942℃）发生相互扩散，在极短的时间内形成液相，浸润HAp粉，与钛合金基底形成冶金结合，形成的复合梯度涂层与钛合金基底之间的结合强度提高到了40-88MPa。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是Ni箔与钛合金基底扩散链接示意图。

图1中，1-钛合金，2-上压头，3-隔热阻焊层，4-镍箔，5-基座，6-连接件。

图2是异形钛合金电镀Ni层示意图。

图2中，1-异形钛合金，2-镀层件，3-预制件。

具体实施方式

参照附图。

实施例1：在平板形Ti-6Al-4V基底表面制备HA复合梯度涂层。

选取平板形Ti-6Al-4V钛合金1，在钛合金1（上铣深1mm、长宽均为50mm的槽，用砂纸打磨以去除表面氧化层，经丙酮、酒精超声波清洗20min后，用二次蒸馏水冲洗干净，并烘干。选取尺寸为0.1mm×50mm×50mm的镍箔4，将其平铺于钛合金1的槽内，置于上压头2、隔热阻焊层3及基座5之间，在扩散焊炉中900℃，4MPa下保温1小时进行扩散连接，得到连接件6。将质量比为2:1的无水乙醇与HA粉混合，采用超声或搅拌器混合制成浆料，均匀涂刷于连接件6的镍箔表面，涂覆层厚度达到0.1-0.3mm，得到预制件。将该预制件置于真空炉中，以10°C/min的速度分阶段升温至1050℃，保温1小时后随炉冷却。

经测试，所制备的复合梯度涂层成分为HA/Ti₂Ni，平均厚度为0.25mm，复合涂层与钛合金表面形成化合键，平均拉伸结合强度达88MPa。

实施例2：在异形Ti-6Al-4V基底表面制备HA复合梯度涂层。