本發(fā)明專利技術(shù)屬于生物陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鈦合金表面激光熔覆生物陶瓷復(fù)合涂層材料，該材料由羥基磷灰石、磷酸三鈣和焦磷酸鈣三種生物活性陶瓷材料組成，其中羥基磷灰石的體積百分比為２０～６１％，其余量為磷酸三鈣與焦磷酸鈣的混合物。該鈦合金表面激光熔覆生物陶瓷復(fù)合涂層材料涂層呈現(xiàn)纖維增強(qiáng)的顯微組織，組織均勻、結(jié)晶性能好，生物相容性優(yōu)良。該涂層材料不僅具有優(yōu)良的物相組成，力學(xué)性能，生物相容性，同時(shí)其原材料成本低廉，方便易得，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景及商業(yè)價(jià)值。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
鈦合金表面激光熔覆生物陶瓷復(fù)合涂層材料
本專利技術(shù)屬于生物陶瓷
，涉及一種復(fù)合生物陶瓷涂層材料。技術(shù)背景在人體硬組織修復(fù)領(lǐng)域，骨替代材料植入人體的目的是為了彌補(bǔ)骨缺陷，最終被 人體新生骨所替代，所以植入體必須具有生物活性和生物可降解性。磷酸鈣基生物陶瓷和 人體自然骨有相同的化學(xué)成分，是人們研究的熱點(diǎn)。磷酸鈣基生物陶瓷的主要產(chǎn)品為羥基 磷灰石((Ca10 (PO4) 6 (OH)2, HAP，磷酸三鈣(Ca3 (PO4)2, TCP)、焦磷酸鈣(β -Ca2P2O7, β -TTCP) 等。HAP是人體自然骨的主要成分，植入體內(nèi)很長(zhǎng)一段時(shí)間后幾乎不降解。磷酸三鈣、焦磷 酸鈣具有良好的骨誘導(dǎo)能力，是一種理想的可降解生物陶瓷材料，其成骨性能等生理功能 非常接近HAP。HAP與可降解生物陶瓷的復(fù)合材料的綜合生理性能將優(yōu)于單一的HAP生物 陶瓷。磷酸鈣陶瓷的強(qiáng)度低、韌性差的力學(xué)性能限制了它的廣泛應(yīng)用。在金屬基體上制備 羥基磷灰石生物陶瓷涂層材料是目前國(guó)內(nèi)外正在進(jìn)行的研究熱點(diǎn)，等離子噴涂是目前臨床 應(yīng)用制品上所采用的唯一制備工藝。等離子噴涂法制備的生物陶瓷涂層的主要缺點(diǎn)可以被 概括為①涂層的組織與結(jié)晶度不均勻，將減小涂層的生物相容性與穩(wěn)定性；②層與基體的粘結(jié)強(qiáng)度較差，將使得涂層在臨床應(yīng)用中剝落。針對(duì)羥基磷灰石生物陶瓷涂層及等離子噴涂工藝仍然存在的上述問(wèn)題，用激光熔 覆工藝制備含HAP的鈣磷基生物活性陶瓷涂層近年得到了發(fā)展。根據(jù)原材料、制備激光器 的不同，目前國(guó)內(nèi)外激光熔覆制備生物陶瓷復(fù)合涂層的研究分為兩個(gè)主要的研究方向①使用Nd-YAG激光器，以HAP為原材料制備生物陶瓷涂層。目前主要是國(guó)外學(xué)者 從事該方向的研究。但該工藝原材料采用的是HAP粉末，所以成本較高；激光熔覆過(guò)程中， HAP粉末容易受熱分解，所得涂層中HAP的含量受到限制。②使用(X)2激光器以CaHPO4 ·2Η20,CaCO3以及少量的稀土成分混合粉末為原材料， 激光熔覆制備生物陶瓷復(fù)合涂層。該工藝以CaHPO4 ·2Η20與CaCO3的混合粉末為原材料時(shí)， 必須在混合粉末中添加稀土成分(Y2O3或CeO2)，才能在熔覆層中得到包含HAP成分的生物 陶瓷復(fù)合涂層。該種方法必須在原材料CaHPO4CH2O與CaCO3粉末中添加稀土成分W2O3或 CeO2)，才能在熔覆層中得到包含HAP成分的生物陶瓷復(fù)合涂層。由于原材料混合粉末對(duì)CO2 激光的吸收率非常高，原材料發(fā)生分解與燒損；同時(shí)激光熔覆過(guò)程溫度過(guò)高，反應(yīng)熱力學(xué)與 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不利于HAP的生成。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00510200011 激光熔覆制備梯度生物活性陶 瓷涂層的材料及涂層的制法，該專利涉及梯度生物活性陶瓷涂層材料，其生產(chǎn)過(guò)程為(1) 研磨混合制備CaHPO4 · 2H20、CaCO3與稀土氧化物及鈦粉的混合粉末，加入粘接劑( 將加 入粘接劑的混合粉末壓制到鈦合金表面，進(jìn)行ω2激光熔覆處理，獲得第一梯度層，依次類 推，在第一梯度層上壓制第二層與第三層混合粉末，激光熔覆處理獲得梯度生物陶瓷復(fù)合 涂層。但是由于CO2激光熔覆不具備YAG激光的反應(yīng)熱力學(xué)與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，所以該專利涉及的梯度生物活性陶瓷涂層材料中的HAP的含量受到限制，同時(shí)原材料中必須加入含有一 定量的稀土氧化物作為催化劑，否則涂層中將不含有生物陶瓷材料，這必將提高生產(chǎn)成本， 加大工藝復(fù)雜性，不利于梯度生物活性陶瓷涂層的材料的產(chǎn)業(yè)化，限制了其在民用工業(yè)上 的運(yùn)用。此外，該梯度生物活性陶瓷涂層材料由于是通過(guò)三次壓制與激光熔覆獲得，所以其 厚度的變化范圍受到限制，不能根據(jù)臨床應(yīng)用靈活變動(dòng)。Nd: YAG固體激光器的波長(zhǎng)為1. 064 μ m，與(X)2氣體激光器(波長(zhǎng)為10. 64 μ m)相 比，它輸出的波長(zhǎng)較短。但是對(duì)于金屬材料而言，激光波長(zhǎng)越短，吸收系數(shù)越大(圖中a與 b處)，但是對(duì)陶瓷與玻璃材料而言(圖中A與B處)，情況正好相反，如圖1所示，所以(1) 當(dāng)(X)2激光熔覆CaHPO4 · 2H20與CaCO3混合粉末制備生物陶瓷涂層時(shí)，混合粉末對(duì)(X)2激光 的吸收率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬基體，CaHPO4 ·2Η20發(fā)生燒蝕或分解；同時(shí)只有在混合粉末中添加 稀土成分，才能制備出主要成分為HAP的生物陶瓷涂層；與之相反，Nd-YAG激光熔覆混合粉 末時(shí)，金屬基體對(duì)Nd-YAG激光的吸收率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于混合粉末。專利技術(shù)人已在前期的激光熔覆 實(shí)驗(yàn)中觀察到了 Nd-YAG激光對(duì)于CaHPO4 ·2Η20與CaCO3具有透過(guò)性的特點(diǎn)。(2)能量傳遞 方式=Nd-YAG激光熔覆過(guò)程中，混合粉末合成生物陶瓷的能量來(lái)自吸收Nd-YAG激光束能量 而熔化的金屬基體，這為激光熔覆過(guò)程中HAP的存在提供了加工與熱力學(xué)條件。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足和缺陷，提供一種鈦合金表面激光熔覆生物陶瓷復(fù) 合涂層材料。本專利技術(shù)是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種鈦合金表面激光熔覆生物陶瓷復(fù)合涂層材料，由羥基磷灰石(HAP)、磷酸三鈣 (TCP)和焦磷酸鈣(β-TTCP)三種生物活性陶瓷材料組成。所述的HAP的體積百分比為20 70 %，其余量為TCP與β -Ca2P2O7的混合物。所述的鈦合金表面激光熔覆生物陶瓷復(fù)合涂層材料的厚度為0 2mm。所述的生物陶瓷復(fù)合涂層材料的原材料為CaHPO4 · 2H20粉末與CaCO3粉末。所述的CaHPO4 · 2H20粉末與CaCO3粉末的重量百分比為70 % 30 % 75% 25%。首先制備混合均勻、流動(dòng)性好、含水量低的鈣鹽復(fù)合粉末，把粉末在不加粘結(jié)劑的 情況下直接堆覆于金屬基體表面形成預(yù)置涂層，涂層高度O 2mm。由于CaHPO4 · 2H20與 CaCCV混合粉末對(duì)Nd-YAG激光的獨(dú)特吸收特點(diǎn)，同時(shí)粉末的含水量合格，激光熔覆混合粉末 時(shí)，金屬基體對(duì)Nd-YAG激光的吸收率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于混合粉末。激光加工過(guò)程中激光大部分的 能量將被金屬表面極薄層吸收，預(yù)置涂層能量將來(lái)自熔化狀態(tài)的金屬表面極薄層，在合適 的激光光熱力學(xué)與光化學(xué)的作用下，鈣鹽復(fù)合粉末與金屬基體表面極薄層在10_6 10_9S熔 化。在合適的激光工藝參數(shù)下，由于高能激光束(YAG激光器的波長(zhǎng)為1.06μπι)在激光加 工過(guò)程中具有獨(dú)特的反應(yīng)熱力學(xué)與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，從而使得鈣鹽復(fù)合粉末原位反應(yīng)生成 HAP/磷酸三鈣/ β -Ca2P2O7為主要成分的復(fù)合生物陶瓷涂層，涂層呈現(xiàn)纖維增強(qiáng)的顯微組 織，涂層的生物相容性良好。所述的鈦合金表面激光熔覆生物陶瓷復(fù)合涂層材料的制備方法，包括步驟(1)采用設(shè)備為iLS-YC_30AYAG型激光器，所用原材料為磷酸氫鈣(CaHPO4 ·2Η20，200目，分析純)，與碳酸鈣(CaCO3, 200目，分析純)，成分配比(重量百分比，如下同)為 72%與沘％。基體為Ti6A14V鈦合金。(2)把上述粉末放入開(kāi)口容器中經(jīng)混合均勻、重新混合、靜置強(qiáng)化脫水，混料機(jī)混 合均勻，制備出粒子平均直徑為50 μ m，含水量為6. 2%的鈣鹽復(fù)合粉末。(3)把鈣鹽復(fù)合粉末直接堆覆于Ti6A14V鈦合金基體上，厚度0 2mm。調(diào)節(jié)合適 的工藝參數(shù)，獲得合適的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)，用高能激光束對(duì)熔覆粉末與金屬基體進(jìn)行 激光熔覆本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種鈦合金表面激光熔覆生物陶瓷復(fù)合涂層材料，其特征在于：由羥基磷灰石、磷酸三鈣和焦磷酸鈣三種生物活性陶瓷材料組成。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王迎春，黃文旵，王翠霞，王德平，姚愛(ài)華，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：同濟(jì)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：31[中國(guó)|上海]
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