纯钛表面等离子喷涂羟基磷灰石涂层的研究

【摘要】：本文利用等离子喷涂法在纯Ti 表面制作了羟基磷灰石(HA)涂层和Ti-HA阶梯式梯度涂层,通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X 射线衍射仪(XRD)、红外吸收光谱(FTIR)、拉曼光谱等检测手段和价电子理论计算,研究了纯Ti 表面HA 涂层及Ti-HA 梯度涂层的表面形貌、组织结构、成分分布、力学性能和生物学行为。 结果表明,在本研究条件下,随喷涂距离的增大,HA 粒子的熔化程度和扁平化程度降低;在较高喷涂功率下,涂层的非晶化程度加剧,各喷涂距离下均出现CaO, TCP 以β-TCP 的形式出现。相对于非梯度涂层,梯度涂层中分解相TCP 和TCPM 的含量较多,且XRD 峰形较完整,这是由Ti 在HA 中的扩散所引起。对HA 涂层进行(600～700℃)×2h 的热处理可使涂层获得高的结晶度,使OH-恢复到原始粉末的水平;梯度涂层结晶完整性也得到较好的恢复,未产生Ti 与HA 的反应相。 在30kW 喷涂功率下,涂层-基体间的压缩剪切强度最大值为16.6MPa,热处理后可达到19.9MPa。梯度涂层的压缩剪切强度为24.9~30.6Mpa, 比非梯度涂层提高50～80%。HA-Ti 界面附近原子扩散加剧和中间层对应力的缓和作用分别是热处理涂层和梯度涂层界面结合强度提高的主要原因。HA 涂层的断裂较整齐地发生在涂层内部和涂层-基体界面等部位。热处理后的涂层和梯度涂层只发生点状剥落,断裂于表面层内部和中间层,这也反映了热处理和梯度组分分布可提高涂层-基体的结合强度。 梯度涂层内Ti 与HA 变形颗粒呈交替式分布,中间层数越多,对表面应力的缓和作用越明显。基体Ti 与涂层Ti 之间可形成连续过渡的冶金结合界面;涂层中的元素也呈交替式分布,且发生了Ti, Ca 之间的相互扩散。Ti 和HA 在涂层内形成了各自的网络结构,它对裂纹扩展具有阻碍作用。 喷射入水的HA 粒子形态观察发现,熔融态发生的P2O5升华和产生的H2O蒸汽导致多数粒子成为空心球,这种空心结构是入水HA 粒子大于Ti 粒子的主要原因,且会对涂层的性能产生多方面的影响。水中较低的冷却速度促进了结晶,并使Ti 促进HA 分解的作用更加明显;Ti 与HA 反应生成了Ti1.7P,而HA与Ti 的融合可在飞行过程中发生。 TEM 下观察到喷涂态涂层中晶相和非晶HA 共存区、HA 和TCP 共存区、TCPM,CaO 以及HA 与Ti 的反应相CaTiO3。熔融粒子的快速冷却和HA 晶体