[发明专利]一种N和Cu离子注入钛合金改性涂层及其制备方法与应用

说明书

本发明属于生物植入材料技术领域，具体公开了一种N和Cu离子注入钛合金改性涂层及其制备方法与应用。所述方法包括以下步骤：在钛合金表面依次进行N离子注入和Cu离子注入，然后在完成离子注入后的钛合金表面进行化学镀铜，最终得到钛合金改性涂层。前期N、Cu离子注入基体在其表面生成TiN增强相并形成固溶强化，在表面形成一层硬质强化层，同时化学镀铜在强化层表面覆盖一层软相金属铜，得到软硬双相复合涂层，硬质强化层对涂层起到支撑作用，软相层可以分散接触载荷并对摩擦起到润滑作用。

技术领域

本发明属于生物植入材料技术领域，特别涉及一种N和Cu离子注入钛合金改性涂层及其制备方法与应用。

背景技术

钛及钛合金由于比强度高、耐腐蚀、生物相容性好等优点，于1960年代首次在临床上用作人体植入物。然而，在实际生物植入领域应用时，其摩擦系数仍然较高。其本身耐磨性也较低，容易产生大量碎屑。这些都容易导致植入体周围的骨组织造成损伤，并伴随着无菌性松动，这大大降低了钛合金种植体的使用寿命。目前，在钛合金表面制备减摩耐磨涂层是解决钛合金耐磨性差的最有效方法之一。减摩耐磨涂层一般是指摩擦系数低、磨损量小的摩擦涂层。为了减少或控制摩擦和磨损，国内外研究人员主要采用两种方法。一种有效的方法是通过添加润滑剂或表面处理在摩擦副表面生成一层薄的固体润滑膜，以减少表面的摩擦和磨损。另一种通过改变其微观结构或在表面生成金属化合物和陶瓷来增强摩擦副耐磨性的方法是表面强化技术，如离子注入、激光熔覆、激光喷丸、表面氮化、微弧氧化等。传统的单一结构涂层在复杂的工作条件下，如体内环境存在一定的局限性。通过结合不同的工艺改性方法来构建复合涂层体系可以有效构建减摩耐磨涂层。不同表面复合改性技术制备的多相、多层次、多尺度混合增强涂层，可以充分发挥涂层中不同相之间的协同、耦合和多功能响应机制。

离子注入是一种动力学掺杂过程，其中加速的离子被引导到目标材料的表面，但离子注入在材料表面的穿透深度一般只有100～500nm。涂层太薄，并且改性层完全损坏。在磨损过程中摩擦副与基体直接接触，磨损的改性层产生的硬质颗粒会加剧基体的磨损，从而导致涂层失效。同样，涂层与基材的结合力也会影响涂层能否为基材提供有效的保护。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种N和Cu离子注入钛合金改性涂层的制备方法。

本发明另一目的在于提供上述方法制得的N和Cu离子注入钛合金改性涂层。

本发明再一目的在于提供所述N和Cu离子注入钛合金改性涂层在制备减摩耐磨材料中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种N和Cu离子注入钛合金改性涂层的制备方法，包括以下步骤：

在钛合金表面依次进行N离子注入和Cu离子注入，然后在完成离子注入后的钛合金表面进行化学镀铜，最终得到钛合金改性涂层。

所述钛合金为Ti6Al4V、Ti、Ti-2Al-2.5Zr或Ti-5Al-2.5Sn。

所述N离子注入时的真空压力为1×10^-4～5×10^-4Pa，电压为50～80Kv，注入计量为1×10¹⁷～8×10¹⁷ion/cm²。优选地，真空压力为5×10^-4Pa，电压为60Kv，注入计量为4×10¹⁷ion/cm²。