微弧氧化制备镁及镁合金表面含钽涂层的溶液配方及工艺的制作方法

本发明属于金属材料表面工程技术领域，具体涉及微弧氧化制备镁及镁合金表面含钽涂层的溶液配方及工艺。

背景技术：

以不锈钢及钛合金为主的传统生物材料对现代骨科内固定植入材料的发展发挥了极大的作用。但传统骨科植入材料植入体内后产生应力遮挡阻碍骨折愈合；骨折愈合后需二次手术取出；材料取出后易发生再骨折等问题促使人们寻找可能的替代品。以镁为基质的生物材料由于具有良好的金属特性、力学性能及可降解性（人体吸收，无需二次手术）成为现在研究的热点，并极有可能成为新的骨科植入材料。但镁基质材料耐腐蚀性低，在骨质未愈合前因腐蚀而失去力学性能，因此，如何在提高以镁基质材料的耐腐蚀性的同时又能保证镁基质材料的生物力学特性和生物相容性，这是现阶段研究的热点。其主要研究内容有：（1）镁与其他一种或多种金属形成合金。常见的金属元素有锰、锌、铝、钙和稀土元素等。合成后的镁合金材料抗腐蚀性能较纯镁材料有了很大的提高，但作为生物可植入材料，其生物相容性表现并不理想。（2）另一种常用方法为在镁合金材料表面进行表面改性、增加表面涂层或表面保护膜。已有的研究结果显示钽元素较镁、钛元素具有更加良好的生物相容性，同时含钽涂层具有良好的骨传导性和诱骨活性。

目前，在镁合金表面微弧制备含钽涂层的制备技术及其应用尚属空白。因此研究和实现镁合金表面具备生物相容性、骨传导性和诱骨活性的含钽涂层的制备技术对镁及镁合金的应用具有重要意义。

综上所述，现有技术存在的主要问题有：1.镁基质材料耐腐蚀性能较差，在骨质未愈合前因腐蚀而失去力学性能；2.镁与其他金属形成合金后的镁合金材料抗腐蚀性能较纯镁材料有了很大的提高，但作为生物可植入材料，其生物相容性表现并不理想。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供既可以提高镁及镁合金的抗腐蚀性能，又能改善其生物相容性的微弧氧化制备镁及镁合金表面含钽涂层的溶液配方及工艺。该工艺还具有简单、操作方便、易于实现、效率高等优点，适于生产和应用。通过该工艺获得的涂层结合力好、组织均匀。

为实现上述目的，本发明采用的第一个技术方案是：微弧氧化制备镁及镁合金表面含钽涂层的溶液配方，其特征在于，溶液配方中包括：硅酸钠、磷酸三钠、氢氧化钠、乙醇钽、水。

进一步，所述溶液配方中硅酸钠、磷酸三钠、氢氧化钠，乙醇钽的浓度分别为硅酸钠：8-10g/l，磷酸三钠：6-8g/l，氢氧化钠：1-2g/l，乙醇钽：5-10ml/l。

进一步，所述溶液配方中硅酸钠、磷酸三钠、氢氧化钠、乙醇钽均为分析纯，水为蒸馏水或纯化水。

本发明采用的第二个技术方案是：微弧氧化制备镁及镁合金表面含钽涂层的溶液配方，其特征在于，溶液配方中包括：硅酸钠、磷酸三钠、氢氧化钠、草酸钽、水。

进一步，所述溶液配方中硅酸钠、磷酸三钠、氢氧化钠，乙醇钽的浓度分别为硅酸钠：8-10g/l，磷酸三钠：6-8g/l，氢氧化钠：1-2g/l，草酸钽：5-10ml/l。

进一步，所述溶液配方中硅酸钠、磷酸三钠、氢氧化钠、草酸钽均为分析纯，水为蒸馏水或纯化水。

本发明采用的第三个技术方案是：微弧氧化制备镁及镁合金表面含钽涂层的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

s1.将镁及镁合金试样用200#-1500#砂纸打磨后冷水清洗，丙酮除油，乙醇超声清洗，随后吹干待用；

s2.配制微弧氧化溶液，配制好的溶液用玻璃棒搅拌均匀；

s3.将试样与微弧氧化设备的阳极连接，用不锈钢片作为阴极，采用大阴极小阳极结构；

s4.将连接好的阴极、阳极放入配制好的溶液，阴极与阳极平行放置，间距为2-3cm；

s5.开启冷却装置冷却溶液，开启搅拌装置搅拌溶液；

s6.启动微弧氧化设备，设置其工作电压为380-420v，占空比为20，电流频率300-500hz，工作时间30-40min；

s7.涂层制备完成后关闭微弧氧化设备、冷却装置和搅拌装置；

s8.将微弧氧化后的试样卸下，乙醇超声清洗，烘干，即得。

进一步，步骤s1中所述丙酮除油是将试样放入丙酮中浸泡，浸泡时间≥5min；所述乙醇超声清洗时间≥5min。

进一步，步骤s1和s8中所述乙醇为无水乙醇，其中含ch3ch2oh≥99.7%。

进一步，步骤s3中所述大阴极和小阳极的面积比为：阴极面积︰阳极面积≥2︰1。

进一步，步骤s5中溶液冷却至20-30℃。

进一步，步骤s5和s7中所述冷却装置为循环水装置，所述搅拌装置为空气泵。

进一步，步骤s8中所述乙醇超声清洗时间≥2min。

进一步，步骤s8中所述烘干为电吹风或者自然风吹干。

本发明采用的第四个技术方案是：微弧氧化制备的镁及镁合金表面含钽涂层，其特征在于，含钽涂层的组成中包括含钽的mg2sio4和mgo。

本发明的有益效果：

1、本发明解决了镁及镁合金耐腐蚀性能差的技术难题；

2、本发明所制备的含钽涂层具有更加优异的生物相容性、良好的骨传导性和诱骨活性；

3、本发明制备涂层所需设备简单，工艺稳定可靠、易于实现，所得涂层结合力好、组织均匀。

附图说明

图1a为由本发明实施例1所获得的含钽涂层表面的显微形貌图；

图1b为由本发明实施例1所获得的含钽涂层截面的显微形貌图；

图2a为由本发明实施例2所获得的含钽涂层表面的显微形貌图；

图2b为由本发明实施例2所获得的含钽涂层截面的显微形貌图；

图3a为由本发明实施例3所获得的含钽涂层表面的显微形貌图；

图3b为由本发明实施例3所获得的含钽涂层截面的显微形貌图；

图4为由本发明实施例1所获得的含钽涂层截面的结构示意图；

图中，1为涂层，2为基体；

图5为本发明微弧氧化制备镁及镁合金表面含钽涂层的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明的内容并不局限于此。

实施例1

采用微弧氧化法制备镁及镁合金表面含钽涂层。

如图5的工艺流程图所示，本实施例按照以下步骤进行：1.将镁铝合金试样依次经200#、600#、1200#和1500#砂纸打磨后冷水清洗，丙酮浸泡5min除油，无水乙醇超声清洗5min，随后吹干待用；2.配制微弧氧化溶液：其中含8g/l的硅酸钠，6g/l的磷酸三钠，1g/l的氢氧化钠，5ml/l的乙醇钽，溶剂为蒸馏水，配制好的溶液用玻璃棒搅拌均匀；3.将试样与微弧氧化设备的阳极连接，用不锈钢片作为阴极，采用大阴极小阳极结构（阴极面积︰阳极面积≥2︰1）；4.将连接好的阴极、阳极放入配制好的溶液，阴极与阳极平行放置，间距为2cm；5.采用循环水冷却，以保证实验过程中溶液的温度为20℃；采用空气泵对溶液进行搅拌；6.启动微弧氧化设备，设置其工作电压为380v，占空比为20，电流频率300hz，工作时间30min；7.涂层制备完成后关闭微弧氧化设备、循环水冷却装置及空气泵搅拌装置；8.将微弧氧化后的试样卸下，无水乙醇超声清洗2min，电吹风吹干，即得。

由实施例1所获含钽涂层表面和截面的显微形貌图分别见图1a和图1b。

如图4所示，由实施例1所得到的在镁铝合金基体上的含钽涂层，其中含钽涂层主要由含钽的mg2sio4和mgo组成，电子探针成分分析显示，该涂层的化学成分为：52.07o-29.26mg-2.42al-6.68si-9.57taat.%，实现了镁合金表面含钽涂层的制备，且整个涂层质量良好。

实施例2

采用微弧氧化法制备镁及镁合金表面含钽涂层。

如图5的工艺流程图所示，本实施例按照以下步骤进行：1.将镁合金试样依次经200#、600#、1200#和1500#砂纸打磨后冷水清洗，丙酮浸泡5min除油，无水乙醇超声清洗10min，随后吹干待用；2.配制微弧氧化溶液：9g/l的硅酸钠，7g/l的磷酸三钠，1.5g/l的氢氧化钠，7.5ml/l的乙醇钽，溶剂为蒸馏水，配制好的溶液用玻璃棒搅拌均匀；3.将试样与微弧氧化设备的阳极连接，用不锈钢片作为阴极，采用大阴极小阳极结构（阴极面积︰阳极面积≥2︰1）；4.将连接好的阴极、阳极放入配制好的溶液，阴极与阳极平行放置，间距为2.5cm；5.采用循环水冷却，以保证实验过程中溶液的温度为25℃；实验过程中采用空气泵对溶液进行搅拌；6.启动微弧氧化设备，设置其工作电压为400v，占空比为20，电流频率400hz，工作时间35min；7.涂层制备完成后关闭微弧氧化设备、循环水冷却装置及空气泵搅拌装置；8.将微弧氧化后的试样卸下，无水乙醇超声清洗2.5min，自然风吹干，即得。

由实施例2所获含钽涂层表面和截面的显微形貌图分别见图2a和图2b。

实施例3

采用微弧氧化法制备镁及镁合金表面含钽涂层。

如图5的工艺流程图所示，本实施例按照以下步骤进行：1.将镁合金试样依次经200#、600#、1200#和1500#砂纸打磨后冷水清洗，丙酮浸泡5min除油，无水乙醇超声清洗10min，随后吹干待用；2.配制微弧氧化溶液：10g/l的硅酸钠，8g/l的磷酸三钠，2g/l的氢氧化钠，10ml/l的乙醇钽，溶剂为蒸馏水，配制好的溶液用玻璃棒搅拌均匀；3.将试样与微弧氧化设备的阳极连接，用不锈钢片作为阴极，采用大阴极小阳极结构（阴极面积︰阳极面积≥2︰1）；4.将连接好的阴极、阳极放入配制好的溶液，阴极与阳极平行放置，间距为3cm；5.采用循环水冷却，以保证实验过程中溶液的温度为25℃；实验过程中采用空气泵对溶液进行搅拌；6.启动微弧氧化设备，设置其工作电压为420v，占空比为20，电流频率500hz，工作时间40min；7.涂层制备完成后关闭微弧氧化设备、循环水冷却装置及空气泵搅拌装置；8.将微弧氧化后的试样卸下，无水乙醇超声清洗3min，自然风吹干，即得。

由实施例3所获含钽涂层表面和截面的显微形貌图分别见图3a和图3b。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非用以限制本发明的权利范围。任何以本申请专利范围所涵盖的权利范围实施的技术方案，或者任何熟悉本领域的技术人员，利用上述揭示的方法内容做出许多可能的变动和修饰的方案，均属于本发明的保护范围。