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宽带激光熔覆梯度生物陶瓷复合涂层及其生物相容性

刘其斌  
【摘要】:为了消除激光熔覆过程中基材与生物陶瓷涂层之间的热应力,提高涂层与基 材的结合强度,设计了一种梯度涂层,采用宽带激光熔覆技术在Ti-6Al-4V合金 表面成功地制备了梯度生物陶瓷复合涂层,并在以下几个方面开展了研究工作。 以热力学和动力学的研究结果为指导,通过宽带激光熔覆工艺参数对生物陶 瓷复合涂层组织形貌及烧结性影响的研究,确定最佳工艺参数为:宽带激光输出 功率P=2. 5kW,扫描速度V=150mm/min,光斑尺寸D=16 mm×2mm;通过对瞬 态温度场的数值模拟,给出了温度场的分布。结果表明,即使在熔覆的最后阶段 即t=11. 6s时,熔池的最高温度(1919℃)也低于含HA生物陶瓷涂复合涂层理 论计算的热力学温度(1927℃)。从而验证了最佳工艺参数下可以获得含HA的 生物陶瓷复合涂层。 研究发现,Y2O3含量影响着生物陶瓷复合涂层中HA及β-TCP的形成,随 着Y2O3的增加,复合涂层中HA+β-TCP的含量逐渐增加,当Y2O3含量处于 0. 4-0. 6wt.%范围时,复合涂层中HA+β-TCP的含量最大,当Y2O3含量为0. 8wt.% 时,其合成HA+β-TCP的数量反而下降。并对Y2O3含量对催化合成活性钙磷基 磷灰石相数量进行了讨论。 运用XRD、SEM、EDS、EPA现代微观分析技术,系统地研究了梯度生物 陶瓷涂层的组织结构,结果表明,涂层分为基材、合金化层以及生物陶瓷层三个 层次,各层的结合界面处无裂纹,且界面呈犬牙交错的组织结构。合金层中基底 组织为Ti(Al,P,Fe,V),白色的共晶组织为Fe2Ti4O+AlV3,白色颗粒状组织为 Al3V0. 333Ti0. 666。生物陶瓷涂层中基底组织为CaO+CaTiO3+HA,灰色颗粒相为α -TCP和β-TCP,白色颗粒相为TiO。生物陶瓷涂层表面形成的类珊瑚礁和短杆堆 积结构,将会增加生物陶瓷涂层与骨组织的生物活性。 力学性能研究结果表明,宽带激光熔覆的梯度生物陶瓷复合涂层与钛合金基 体的结合强度在38. 8 MPa以上。Y2O3含量为0. 6wt.%时,生物陶瓷层和合金化 层的显微硬度值均达到最大,分别为1062HV0. 1和1405HV0. 4。生物陶瓷复合涂 层试样平均拉伸强度为767. 83MPa,平均弯曲强度值为1671. 65 MPa,涂层弹性 模量平均值为13. 98GPa,与人体致密骨的弹性模量相当接近。添加Y2O3的梯度 生物陶瓷涂层的断裂韧性值在3. 89-6. 46 MPa·m1/2之间,表明具有良好的强韧


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