[发明专利]增材制造钛及钛合金件的表面处理方法

说明书

本发明属于金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种增材制造钛及钛合金件的表面处理方法。针对钛及钛合金件纳米化要求高，现有的表面纳米化工艺不适合用于钛及钛合金件的处理的问题，本发明提供一种材制造钛及钛合金件的表面处理方法，采用3D打印技术获得粗糙的表面的钛及钛合金件，经表面纳米化处理，在钛及钛合金件的粗糙表面上得到纳米结构层，进行清洗并消毒，最终获得钛及钛合金件。本发明处理后的钛及钛合金件由复合梯度微纳结构组成，其表面形成类天然细胞外基质的仿生三维生存空间，可以应用到医疗领域，促进成骨类细胞碱性磷酸酶的合成和含钙矿物质沉积，加速骨诱导作用，实现钛及钛合金件快速高效的骨整合作用。

技术领域

本发明属于金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种增材制造钛及钛合金件的表面处理方法。

背景技术

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金具有相对密度小、比强度高等特点被广泛应用于航空航天领域，被誉为“太空金属”；它又具有优异的抗腐蚀能力、无磁性等，是一种优秀的舰船结构材料，被誉为“海洋金属”；近年来，随着钛工业的不断发展，钛合金已经在民用领域中得到了广泛应用，如汽车、建筑、医学、文体用品等方面，被誉为“全能金属”。但钛合金仍存在一些缺陷，如耐磨性差、易氧化等，这些缺点都可以通过适当的表面处理得以改善。

纳米材料具有独特的结构和优异的功能特性,表面纳米化技术是利用各种物理或化学方法将材料的表层晶粒细化至纳米量级，制备出具有纳米晶结构的表层，而基体仍保持原有的粗晶状态以提高材料的表面性能。钛及钛合金和其他材料一样,其失稳通常始于表面,因此只要在材料的表面制备出一定厚度的纳米结构表层,就能实现表面纳米化,从而通过表面组织和性能的优化提高材料的整体力学性能和环境使用特性,如硬度、耐磨性、耐蚀性、延展性、疲劳性能、巨电导、巨磁电阻、光敏效应和高温稳定性等。与其他纳米材料制备方法不同的是,表面纳米化采用常规表面处理技术或改进的表面处理技术即可实现。

钛及钛合金因其具有良好的生物相容性，已经作为医用植入体在临床上得到大量应用。人工关节作为重要的医疗产品组成部分，随着人类进入高龄化步伐加快、中青年创伤增多、疑难疾病患者的增加和医学技术的发展，人工关节的用量逐年提高。

随着临床应用的日益广泛，如何通过对钛及钛合金件表面进行合理的改性，有利于细胞组织，尤其是成骨样细胞在其表面的附着生长，从而促进骨整合效率，是当前提高钛植入体临床应用效率的研究热点。有研究表明，光滑的钛植入体表面不利于刺激成骨细胞的生物活性。因为由机械加工形成的钛植入体表面的浅沟嵴结构虽然有一定的引导细胞定向黏附以及生长的作用。但这种引导作用仍然较弱，同时细胞仍只是感受到光滑的表面，表现出纤维细胞的生物学行为，最终与种植体形成纤维骨性结合，造成种植失败。因此，为了刺激成骨细胞的表达，形成骨性结合界面，应该构建能被细胞感知的粗糙表面微结构。有研究表明，粗糙的钛种植体表面具有更大的润湿性，可增加其与骨组织之间更大的接触面积，形成种植体与骨组织之间更强的机械螯合作用；粗糙表面对骨组织～种植体界面上血管的形成和对成骨细胞的迁移、代谢和功能表达均具有促进作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：钛及钛合金件纳米化要求高，现有的表面纳米化工艺不适合用于钛及钛合金件的处理的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：提供一种增材制造钛及钛合金件的表面处理方法。该方法包括以下步骤：

a、3D打印成形

以0.1～200μm的钛及钛合金球形粉末为原料，采用3D打印技术，制备得到钛及钛合金件；

b、表面纳米化处理

将步骤a得到的钛及钛合金件浸入盐酸、钛源溶液摩尔浓度比为0.1～20:0.001～0.1的比例混合而成的溶液中，在50～750℃下反应0.2～20h，在钛及钛合金件表面获得纳米级或微米级的凸起结构，清洗、烘干、消毒后，得到表面纳米化处理后的钛及钛合金件。