一种在钛合金表面微弧氧化制备耐磨生物陶瓷膜层的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种在钛合金表面微弧氧化制备耐磨生物陶瓷膜层的方法。
【背景技术】
[0002]随着现代外科技术及假体设计的不断发展，髋关节置换术(HA)已经成为治疗终末期髋关节疾病最为有效方法。相比传统金属对聚乙烯HA假体，金属对金属假体(Metal-on-metal,MOM)以其低磨损，低脱位等优势吸引着众多的关节外科医生的眼球。众所周知，在MOM设计中，反应性蛋白质在金属摩擦层中起关键作用，但对摩擦层更多物质基础的认识仍然很少。因此，开发一种能解决上述技术问题的假体材料是非常必要的。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种在钛合金表面微弧氧化制备耐磨生物陶瓷膜层的方法。
[0004]本发明的目的是这样实现的，包括预处理、微弧氧化、后处理步骤，具体包括:
A、预处理:将钛合金试样进行表面打磨处理至试样表面无划痕，烘干备用；
B、微弧氧化:将预处理后的钛合金试样悬挂在电解液中作为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，进行微弧氧化；
C、后处理:将微弧氧化后的试样用去离子水洗净，再经超声波清洗仪清洗，干燥后得到具有耐磨生物陶瓷膜层的钛材。
[0005]美国和德国的多位科学家组成了一个联合研究小组，针对MOM摩擦层的物质结构组成进行一项实验研究，并于2011年在Science杂志公布了其研究报告。该研究结果证实，回收自患者的MOM-HA假体金属摩擦层中含有石墨颗粒，这将有助于解释MOM假体低磨损的原因。
[0006]本发明是在乙酸钙-磷酸盐基础电解液体系中添加微米级石墨颗粒，制备得到具有良好耐磨性的生物多孔陶瓷膜层。
[0007]本发明的有益效果:
1、本发明中添加的石墨颗粒具有良好的润滑性，且硬度高，化学性质稳定，在微弧氧化成膜过程中，不易同其它离子反应。而且，石墨颗粒的添加能够抑制微裂纹的增殖，提高膜层结合力。因此，同常规微弧氧化相比，该膜层具有良好的耐磨损性能。
[0008]2、本发明添加的石墨颗粒粒径为2.5 μπι，比大部分微孔孔径小，因此，石墨颗粒会通过熔融物通道浸入到致密层中，堵塞致密层中细小孔洞，从而提高致密层的致密度。当植入体植入到生物体内时，减少了钛合金基体中的金属离子向外游离的机会，抑制了组织感染的可能性。
[0009]3、本发明的可控性高，有利于控制，其石墨颗粒价格便宜，成本低，应用范围较广，可以批量生产。
【附图说明】
[0010]图1在钛合金表面微弧氧化制备耐磨多孔生物陶瓷膜层的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0011]下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
[0012]本发明所述的在钛合金表面微弧氧化制备耐磨生物陶瓷膜层的方法，包括预处理、微弧氧化、后处理步骤，具体包括:
A、预处理:将钛合金试样进行表面打磨处理至试样表面无划痕，烘干备用；
B、微弧氧化:将预处理后的钛合金试样悬挂在电解液中作为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，进行微弧氧化；
C、后处理:将微弧氧化后的试样用去离子水洗净，再经超声波清洗仪清洗，干燥后得到具有耐磨生物陶瓷膜层的钛材。
[0013]B步骤中所述的电解液的配方为乙酸钙、EDTA_2Na、磷酸二氢钾和微米级石墨粉，其质量浓度比为 3.5:5.6:1.4:1~1.8:2.8:0.7:1。
[0014]所述的微弧氧化的电源参数为:正向电流设定为10~25A/dm2，负向电流为5~10A/dm2，正负占空比为10~40%，频率为400~900Hz，正负脉冲数为I，氧化时间为5~20min。
[0015]所述的电解液在复合微弧氧化过程中的温度均控制在10~30°C。
[0016]在微弧氧化过程中，所用的电源为脉冲电源；采用恒流模式，电源参数设定为:正向电流设定为10~25A/dm2，负向电流为5~10A/dm2，正负占空比为10~40%，频率为400~900Hz，正负脉冲数为1，氧化时间为5~20min。电解槽中电解液的温度因有循环水，保持室温即可(即10-30 °C) ο
[0017]下面以实施例对本发明做进一步说明:
实施例1
A、预处理:将钛合金TC4切割成圆柱形钛材，在试样的上方打孔，对钛合金进行表面打磨处理至试样表面无明显划痕，最后去离子水洗，自然烘干；
B、微弧氧化:将预处理好的钛合金试样作为阳极悬挂在电解液中，不锈钢电解槽为阴极，进行分阶段微弧氧化。电解液配方为:乙酸钙:176.18g，EDTA-2Na:279.18g、磷酸二氢钾68.045g、微米级石墨粉:25g、蒸馏水:5L。电源参数为:正向电流设定为ΙΟΑ/dm2，负向电流为7A/dm2，正负占空比为25%，频率为450Hz，正负脉冲数为1，氧化时间为5min。电解槽中电解液的温度因有循环水，保持室温即可。
[0018]C、将微弧氧化制备的试样用去离子水洗净，再放到超声波清洗仪中清洗，最后干燥。
[0019]D、经摩擦磨损试验机测试得到，该实施例所得复合氧化膜层磨损量为常规微弧氧化膜层的20%，经SEM观察得到，膜层表面有微裂纹出现。
[0020]实施例2
A、预处理:将钛合金TC4切割成圆柱形钛材，在试样的上方打孔，对钛合金进行表面打磨处理至试样表面无明显划痕，最后去离子水洗，自然烘干； B、微弧氧化:将预处理好的钛合金试样作为阳极悬挂在电解液中，不锈钢电解槽为阴极，进行分阶段微弧氧化。电解液配方为:乙酸钙:176.18g，EDTA-2Na:279.18g、磷酸二氢钾68.045g、微米级石墨粉:50g、蒸馏水:5L。电源参数为:正向电流设定为15A/dm2，负向电流为7A/dm2，正负占空比为40%，频率为600Hz,正负脉冲数为1，氧化时间为lOmin。电解槽中电解液的温度因有循环水，保持室温即可。
[0021]C、将微弧氧化制备的试样用去离子水洗净，再放到超声波清洗仪中清洗，最后干燥。
[0022]D、经摩擦磨损试验机测试得到，该实施例所得复合氧化膜层磨损量为常规微弧氧化膜层的35.4%。经SEM观察得到，膜层表面有少许微裂纹出现。
[0023]实施例3
A、预处理:将钛合金TC4切割成圆柱形钛材，在试样的上方打孔，对钛合金进行表面打磨处理至试样表面无明显划痕，最后去离子水洗，自然烘干；
B、微弧氧化:将预处理好的钛合金试样作为阳极悬挂在电解液中，不锈钢电解槽为阴极，进行分阶段微弧氧化。电解液配方为:乙酸钙:176.18g，EDTA-2Na:279.18g、磷酸二氢钾68.045g、微米级石墨粉:100g、蒸馏水:5L。电源参数为:正向电流设定为25A/dm2，负向电流为ΙΟΑ/dm2，正负占空比为40%，频率为900Hz,正负脉冲数为1，氧化时间为20min。电解槽中电解液的温度因有循环水，保持室温即可。
[0024]C、将微弧氧化制备的试样用去离子水洗净，再放到超声波清洗仪中清洗，最后干燥。
[0025]D、经摩擦磨损试验机测试得到，该实施例所得复合氧化膜层磨损量为常规微弧氧化膜层的53%。经SEM观察得到，膜层表面有少量微裂纹出现。
【主权项】
1.一种在钛合金表面微弧氧化制备耐磨生物陶瓷膜层的方法，其特征在于包括预处理、微弧氧化、后处理步骤，具体包括: A、预处理:将钛合金试样进行表面打磨处理至试样表面无划痕，烘干备用； B、微弧氧化:将预处理后的钛合金试样悬挂在电解液中作为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，进行微弧氧化； C、后处理:将微弧氧化后的试样用去离子水洗净，再经超声波清洗仪清洗，干燥后得到具有耐磨生物陶瓷膜层的钛材。2.根据权利要求1所述的在钛合金表面微弧氧化制备耐磨生物陶瓷膜层的方法，其特征在于B步骤中所述的电解液的配方为乙酸钙、H)TA-2Na、磷酸二氢钾和微米级石墨粉，其质量浓度比为 3.5:5.6:1.4:1~1.8:2.8:0.7:1。3.根据权利要求1所述的在钛合金表面微弧氧化制备耐磨生物陶瓷膜层的方法，其特征在于所述的微弧氧化的电源参数为:正向电流设定为10~25A/dm2，负向电流为5~10A/dm2，正负占空比为10~40%，频率为400~900Hz，正负脉冲数为I，氧化时间为5~20min。4.根据权利要求1所述的在钛合金表面微弧氧化制备耐磨生物陶瓷膜层的方法，其特征在于所述的电解液在复合微弧氧化过程中的温度均控制在10~30°C。
【专利摘要】本发明公开了一种在钛合金表面微弧氧化制备生物陶瓷膜层的方法，包括预处理、分阶段复合微弧氧化、后处理步骤，本发明是在乙酸钙-磷酸盐基础电解液体系中添加微米级石墨颗粒，制备得到具有良好耐磨性的生物多孔陶瓷膜层，电解液由乙酸钙、EDTA-2Na、磷酸二氢钾和微米级石墨粉配制而成，其质量浓度比为3.5：5.6：1.4：1~1.8：2.8：0.7：1。该方法显著提高了微弧氧化膜层的耐磨性，可有效提高植入体在生物组织内的使用寿命。
【IPC分类】C25D11/26, C25D15/00
【公开号】CN105002546
【申请号】CN201510481071
【发明人】杨钢, 严继康, 倪尔鑫, 吴云峰, 孙彦华
【申请人】昆明冶金研究院
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年8月8日