专利名称：在钛合金表面制备羟基磷灰石复合梯度涂层的方法
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カ屏蔽效应。在钛合金表面制备轻基磷灰石(Hydroxyapatite, HAp)涂层是提高其生物活性的最主要方法之一。而解决应カ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カ与结合强度，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，首先预制ー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，一方面増加了制备成本，另ー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，简化涂层制备エ艺，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，井清洗、烘干；(b)在钛合金表面制备ー层纯金属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°C，4MPa压カ下保温I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的无水こ醇与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. 3_，干燥后放入真空炉内，以10° C/min的速度分阶段升温至1050°C，保温I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°C )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ー步说明。
图I是Ni箔与钛合金基底扩散链接示意图。图I中，ト钛合金，2-上压头，3-隔热阻焊层，4-镍箱，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，I-异形钛合金，2-镀层件，3-预制件。
具体实施方式
參照附图。实施例I :在平板形Ti-6A1_4V基底表面制备HA复合梯度涂层。选取平板形Ti-6A1-4V钛合金I，在钛合金I (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. ImmX 50mmX50mm的镍箔4，将其平铺于钛合金I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°C，4MPa下保温I小时进行扩散连接，得到连接件6。将质量比为2:1的无水こ醇与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°C，保温I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-6A1_4V基底表面制备HA复合梯度涂层。对于异形Ti-6A1_4V钛合金1，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。将钛合金I置于电镀槽中作为阴极，进行电镀镍，获得镀层件2。将质量比为2:1的无水こ醇与HA粉混合，采用超声或搅拌器混合制成浆料，均匀涂刷于镀层件2表面，涂覆层厚度达到0. 05-0. 2mm，得到预制件3。将该预制件3置于真空炉中，以10° C/min的速度分阶段升温至1050°C，保温I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. 13mm,复合涂层与钛合金表面形成化合键，平均拉伸结合强度达50MPa。实施例3 :在平板形Ti-4A1_2. 5Fe基底表面制备HA复合梯度涂层。选取平板形Ti-4Al-2. 5Fe钛合金I，在钛合金I (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. ImmX50mmX50mm的镍箔4，将其平铺于钛合金I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°C，4MPa下保温I小时进行扩散连接，得到连接件6。将质量比为2:1的无水こ醇与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°C，保温I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. 28mm,复合涂层与钛合金表面形成化合键，平均拉伸结合强度达54MPa。
实施例4 :在异形Ti-4A1_2. 5Fe基底表面制备HA复合梯度涂层。
对于异形Ti-4A1_2. 5Fe钛合金1，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。将钛合金I置于电镀槽中作为阴扱，进行电镀镍，获得镀层件2。将质量比为2:1的无水こ醇与HA粉混合，采用超声或搅拌器混合制成浆料，均匀涂刷于镀层件2表面，涂覆层厚度达到0. 05-0. 2mm，得到预制件3。将该预制件3置于真空炉中，以10° C/min的速度分阶段升温至1050°C，保温I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. 09mm,复合涂层与钛合金表面形成化合键，平均拉伸结合强度达40MPa。实施例5 :在平板形Ti-6Al_7Nb基底表面制备HA复合梯度涂层。选取平板形Ti-6Al-7Nb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. ImmX50mmX50mm的镍箔4，将其平铺于钛合金I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°C，4MPa下保温I小时进行扩散连接，得到连接件6。将质量比为2:1的无水こ醇与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°C，保温I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. 3mm，复合涂层与钛合金表面形成化合键，平均拉伸结合强度达74MPa。实施例4 :在异形Ti-6Al_7Nb基底表面制备HA复合梯度涂层。对于异形Ti-6Al_7Nb钛合金1，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。将钛合金I置于电镀槽中作为阴极，进行电镀镍，获得镀层件2。将质量比为2:1的无水こ醇与HA粉混合，采用超声或搅拌器混合制成浆料，均匀涂刷于镀层件2表面，涂覆层厚度达到0. 05-0. 2mm，得到预制件3。将该预制件3置于真空炉中，以10° C/min的速度分阶段升温至1050°C，保温I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. 1mm，复合涂层与钛合金表面形成化合键，平均拉伸结合强度达53MPa。
权利要求
1.一种在钛合金表面制备羟基磷灰石复合梯度涂层的方法，其特征在于包括下述步骤 (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； (c)用质量比为2:1的无水乙醇与HAp粉混合制成浆料，均匀涂覆在制备了Ni层的钛合金表面，涂覆层厚度达到0. 1-0. 3_，干燥后放入真空炉内，以10° C/min的速度分阶段升温至1050°C，保温I小时后，炉冷。
2.根据权利要求I所述的在钛合金表面制备羟基磷灰石复合梯度涂层的方法，其特征在于所述的步骤(2)将厚度为0. 05-0. 3mm的Ni箔置于钛合金板材上，采用扩散焊方法在900°C、4MPa压力下保温I小时。
3.根据权利要求I所述的在钛合金表面制备羟基磷灰石复合梯度涂层的方法，其特征在于所述的步骤(2)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。
全文摘要
本发明公开了一种在钛合金表面制备羟基磷灰石复合梯度涂层的方法，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；在钛合金表面制备一层纯金属Ni；用质量比为2:1的无水乙醇与HAp粉混合制成浆料，均匀涂覆在制备了Ni层的钛合金表面，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。本发明简化涂层制备工艺，降低成本、提高效率。
文档编号C23C24/10GK102650048SQ201210160189
公开日2012年8月29日 申请日期2012年5月22日 优先权日2012年5月22日
发明者叶雅静, 尹大川, 李亚鹏, 熊江涛, 王鹏燕 申请人:西北工业大学