提高激光增材制造金属人工膝关节表面耐磨性的工艺方法与流程

提高激光增材制造金属人工膝关节表面耐磨性的工艺方法，属于表面处理技术领域。

背景技术：

作为生物合金，钴铬钼合金具有优异的耐磨和抗腐蚀性能，较高的疲劳强度和良好的生物相容性等优势特点，但是传统工艺在加工制备复杂结构方面难度较大，很难实现患者个性化定制需求，而增材制造技术可以快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，解决了生物cocrmo在加工制备方面的困难，但这并不意味着解决了所有的问题，人工膝关节的工作环境复杂，在体液的腐蚀，人体内温度的变化，细胞的生长等共同作用下，膝关节的磨损性能下降，患者的痛苦增加，使用寿命减少。

关节面磨损产物对人体有毒，会造成不良的生理组织反应，并且合金在人体体液环境下发生离子析出后，析出的游离态的co，cr等离子积累一定量后有可能形成致癌物。而未来大有希望的陶瓷关节由于材料硬度高、韧性差造成加工困难且成本很高，更重要的是个性化造型困难，因此大规模临床应用面临严峻挑战。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可提高激光增材制造金属人工膝关节表面耐磨性的方法，以延长人工膝关节的使用寿命，减少患者的痛苦。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该提高激光增材制造金属人工膝关节表面耐磨性的工艺方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、喷砂处理：对人工膝关节表面进行喷砂处理，表面粗糙度达到ra3.2；

2）、预热处理：人工膝关节加热至40~50℃，喷涂纳米氧化锆粉末加热至40~50℃；

3）、喷涂：用氧化锆陶瓷粉末对喷涂面进行等离子喷涂。

优选的，步骤1）所述喷砂采用白刚玉46#，喷砂压力为0.45~0.55mpa，喷距为200~300mm，喷砂面清洁度达到sa2级。

优选的，步骤3）喷涂过程中人工膝关节一直保持加热。

优选的，所述人工膝关节为钴铬钼合金。

优选的，步骤3）喷涂的加速电压：65~75v，电流：610~630a，喷距：160~180mm，喷涂厚度：200~300μm。

优选的，所述纳米氧化锆粉末的粒径为100nm，纯度≥99%。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、通过在人工膝关节表面喷涂纳米氧化锆颗粒，克服了传统膝关节耐磨性低和全陶瓷关节韧性差的固有缺陷。

2、等离子喷涂后的陶瓷表面形成具有各向异性的层状结构（包括层状间隙），这种结构可使陶瓷层脆性断裂倾向大幅降低，其提供的曲折“通道”也可最大限度降低腐蚀性介质的渗入和侵蚀，并且获得精确的涂层厚度和良好的表面质量，后续可直接采用精加工工序。

3、氧化锆陶瓷涂层薄且均匀的覆盖在人工膝关节关节面上，不改变关节面原有的曲率形态，喷涂后与其他结构匹配完好，不会影响膝关节固有的成型与活动状态。

4、氧化锆陶瓷涂层硬度高，磨损率低，对人工膝关节的使用寿命有显著提升，从而大大减少患者的痛苦，提高患者的生活质量。

5、六轴机械手配合导轨夹枪喷涂可根据膝关节关节面进行三维空间编程，有效的解决了膝关节关节曲面难以定位导致喷涂不均匀的问题。同时，在加工生产过程中不产生对人体和自然环境有危害的物质，符合人工膝关节的使用要求和绿色环保的生产理念。

附图说明

图1为实例1在空气环境下喷涂氧化锆陶瓷与未喷涂氧化锆陶瓷样件摩擦系数对比图。

图2是实例1在空气环境下喷涂氧化锆陶瓷与未喷涂氧化锆陶瓷样件磨损量对比图。

图3是实例2在人工体液环境下喷涂氧化锆陶瓷与未喷涂氧化锆陶瓷样件摩擦系数对比图。

图4是实例2在人工体液环境下喷涂氧化锆陶瓷与未喷涂氧化锆陶瓷样件磨损量对比图。

图5是对比例1在空气环境下喷涂氧化铝陶瓷与未喷涂氧化铝陶瓷样件摩擦系数对比图。

图6是对比例1在空气环境下喷涂氧化铝陶瓷与未喷涂氧化铝陶瓷样件磨损量对比图。

图7是对比例2在人工体液环境下喷涂氧化铝陶瓷与未喷涂氧化铝陶瓷样件摩擦系数对比图。

图8是对比例2在人工体液环境下喷涂氧化铝陶瓷与未喷涂氧化铝陶瓷样件磨损量对比图。

具体实施方式

下面结合附图1~8对本发明做进一步说明。

针对现有方法加工工艺复杂，生产效率低，以及加工过程中引入有害元素等问题，本发明提供一种提高激光增材制造金属人工膝关节表面耐磨性的工艺方法，通过等离子喷涂工艺在人工膝关节关节面上制备具有高硬度，高耐磨性的氧化锆陶瓷涂层，进而提高人工膝关节表面的耐磨性，延长使用寿命，减少患者痛苦。

下面结合具体实例对本发明进一步描述，所描述的实例仅示例性说明本发明的原理和方法，而非用于限制本发明。基于发明的实施例，本技术领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下对本发明的一些技术特征作出的替换和变形，都属于本发明的保护范围。

包含以下步骤：

1）、喷砂处理：对人工膝关节关节面表面进行喷砂处理，表面粗糙度达到ra3.2。

2）、预热处理：人工膝关节为钴铬钼合金，钴铬钼合金加热至40~50℃，喷涂纳米氧化锆粉末加热至40~50℃。

3）、喷涂：用氧化锆陶瓷粉末对喷涂面进行等离子喷涂。

步骤1）喷砂处理：喷砂后表面粗糙度达到ra3.2，清洁度达到ra2级，表面无油脂，污垢，锈等附着物，喷砂过程中的高压干燥气体可对喷砂后表面进一步清洁，能有效的避免砂粒或钴铬钼合金颗粒嵌入基体的现象，提高涂层与基体的结合力。喷砂采用白刚玉，粒度为46目，喷砂压力为0.45~0.55mpa，喷距为200~300mm。

步骤2）预热处理：通过对陶瓷颗粒预热处理，可提高陶瓷颗粒的活性，增强喷涂过程中陶瓷颗粒的粘附性，合金基体达到合适的预热温度，可减少涂层和基体结合时产生的温度应力。合金与陶瓷粉末预热温度为40~50℃，合金预热在喷涂过程中一直保持。

步骤3）用氧化锆陶瓷粉末对喷涂面进行等离子喷涂：在钴铬钼人工膝关节关节面上采用等离子喷涂制备一层200~300μm的氧化锆陶瓷层，具备优异的耐磨损性能。等离子喷涂工艺电流为610~630a，电压为65~75v，喷距为160~180mm，喷涂厚度控制在200~300μm，采用六轴机械手配合导轨夹枪喷涂，可以灵活的控制喷枪的移动速度和喷涂位置，以保证涂层的厚度和均匀性，喷涂过程中无需打底层，以保证在喷涂过程中不引入对人体有害的元素。

实施例1

提高激光增材制造金属人工膝关节表面耐磨性的工艺方法包括以下步骤：

1）、喷砂处理：对人工膝关节关节面表面进行喷砂处理，表面粗糙度达到ra3.2。喷砂采用白刚玉，粒度为46目，喷砂压力为0.5mpa，喷距为250mm。

2）、预热处理：钴铬钼合金加热至45℃，喷涂纳米氧化锆粉末加热至45℃，合金热在喷涂过程中一直保持。

3）、用氧化锆陶瓷粉末对喷涂面进行等离子喷涂：在钴铬钼人工膝关节关节面上采用等离子喷涂制备一层250μm的氧化锆陶瓷层，具备优异的耐磨损性能。等离子喷涂工艺电流为615a，电压为70v，喷距为170mm，采用六轴机械手配合导轨夹枪喷涂，可以灵活的控制喷枪的移动速度和喷涂位置，以保证涂层的厚度和均匀性，喷涂过程中无需打底层，以保证在喷涂过程中不引入对人体有害的元素。

如图1所示，在空气环境下的摩擦磨损实验得出的样件摩擦系数结果为：喷涂zro2陶瓷的样件摩擦系数约为0.17，明显低于未喷涂zro2陶瓷的样件摩擦系数约为0.26。从图2上可以看出，未喷涂zro2陶瓷的样件的磨损量明显高于喷涂zro2陶瓷的样件磨损量，磨损量下降约为3倍。

实施例2

提高激光增材制造金属人工膝关节表面耐磨性的工艺方法包括以下步骤：

1）、喷砂处理：对人工膝关节关节面表面进行喷砂处理，表面粗糙度达到ra3.2。喷砂采用白刚玉，粒度为46目，喷砂压力为0.5mpa，喷距为250mm。

2）、预热处理：钴铬钼合金加热至45℃，喷涂纳米氧化锆粉末加热至45℃，合金热在喷涂过程中一直保持。

3）、用氧化锆陶瓷粉末对喷涂面进行等离子喷涂：在钴铬钼人工膝关节关节面上采用等离子喷涂制备一层250μm的氧化锆陶瓷层，具备优异的耐磨损性能。等离子喷涂工艺电流为615a，电压为70v，喷距为170mm，采用六轴机械手配合导轨夹枪喷涂，可以灵活的控制喷枪的移动速度和喷涂位置，以保证涂层的厚度和均匀性，喷涂过程中无需打底层，以保证在喷涂过程中不引入对人体有害的元素。

如图3所示，在人工体液环境下的摩擦磨损实验得出的样件摩擦系数结果为：喷涂zro2陶瓷的样件摩擦系数约为0.11明显低于未喷涂zro2陶瓷的样件摩擦系数约为0.23。从图4上可以看出，未喷涂zro2陶瓷的样件的磨损量明显高于喷涂zro2陶瓷的样件磨损量，磨损量下降约为2.5倍。

对比例1

提高激光增材制造金属人工膝关节表面耐磨性的工艺方法包括以下步骤：

1）、喷砂处理：对人工膝关节关节面表面进行喷砂处理，表面粗糙度达到ra3.2。喷砂采用白刚玉，粒度为46目，喷砂压力为0.5mpa，喷距为250mm。

2）、预热处理：钴铬钼合金加热至45℃，喷涂纳米氧化铝粉末加热至45℃，合金热在喷涂过程中一直保持。

3）、用氧化铝陶瓷粉末对喷涂面进行等离子喷涂：在钴铬钼人工膝关节关节面上采用等离子喷涂制备一层250μm的氧化锆陶瓷层，具备优异的耐磨损性能。等离子喷涂工艺电流为600a，电压为68v，喷距为150mm，采用六轴机械手配合导轨夹枪喷涂，可以灵活的控制喷枪的移动速度和喷涂位置，以保证涂层的厚度和均匀性，喷涂过程中无需打底层，以保证在喷涂过程中不引入对人体有害的元素。

如图5所示，在空气环境下的摩擦磨损实验得出的样件摩擦系数结果为：喷涂al2o3陶瓷的样件摩擦系数约为0.45明显低于未喷涂al2o3陶瓷的样件摩擦系数约为0.26。从图6上可以看出，未喷涂al2o3陶瓷的样件的磨损量高于喷涂al2o3陶瓷的样件磨损量，磨损量下降约为1.5倍。

对比例2

提高激光增材制造金属人工膝关节表面耐磨性的工艺方法包括以下步骤：

1）、喷砂处理：对人工膝关节关节面表面进行喷砂处理，表面粗糙度达到ra3.2。喷砂采用白刚玉，粒度为46目，喷砂压力为0.5mpa，喷距为250mm。

2）、预热处理：钴铬钼合金加热至45℃，喷涂纳米氧化铝粉末加热至45℃，合金热在喷涂过程中一直保持。

3）、用氧化铝陶瓷粉末对喷涂面进行等离子喷涂：在钴铬钼人工膝关节关节面上采用等离子喷涂制备一层250μm的氧化锆陶瓷层，具备优异的耐磨损性能。等离子喷涂工艺电流为600a，电压为68v，喷距为150mm，采用六轴机械手配合导轨夹枪喷涂，可以灵活的控制喷枪的移动速度和喷涂位置，以保证涂层的厚度和均匀性，喷涂过程中无需打底层，以保证在喷涂过程中不引入对人体有害的元素。

如图7所示，在人工体液环境下的摩擦磨损实验得出的样件摩擦系数结果为：喷涂al2o3陶瓷的样件摩擦系数约为0.40明显低于未喷涂al2o3陶瓷的样件摩擦系数约为0.21。从图8上可以看出，未喷涂al2o3陶瓷的样件的磨损量高于喷涂al2o3陶瓷的样件磨损量，磨损量下降约为1.3倍。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。