溅射靶、溅射仪和假体涂层方法与流程

本发明涉及医学治疗领域，具体而言，涉及一种溅射靶、溅射仪和假体涂层方法。

背景技术：

Ti₆Al₄V合金因为较好的生物相容性、耐蚀性、高强度、弹性模量与骨皮质相近等优越性能，被广泛的用于医学领域。但是长期用于人体环境中将会释放Al、V离子。Al和V离子对人体具有毒性，致癌和致畸的可能。而且Al使Ti表面电位正移，在与血栓液接触的环境中会导致纤维蛋白的沉积而形成血栓，这就降低了材料使用的安全性和可靠性。

目前，一些假体结构采用的材质是Ti₆Al₄V合金，由于Al、V离子析出会导致假体无菌性松动，降低了假体寿命。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种溅射靶、溅射仪和假体涂层方法，以解决现有技术中的假体结构的寿命较低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供了一种溅射靶，包括：溅射板，溅射板上设置有溅射孔；遮挡板，遮挡板遮挡在溅射孔处，遮挡板可运动地设置以调整遮挡板所遮挡的溅射孔的通流面积。

进一步地，遮挡板可移动地设置在溅射板上。

进一步地，溅射孔为矩形孔，遮挡板矩形孔的长度方向可移动地设置。

进一步地，遮挡板可转动地设置在溅射板上。

进一步地，溅射靶还包括：驱动装置，驱动装置与遮挡板连接，以驱动遮挡板打开或闭合溅射孔。

进一步地，驱动装置为伺服电机。

进一步地，溅射板内设置有与溅射孔连通的容纳腔，遮挡板可移动地设置在容纳腔内。

进一步地，溅射板的背面设置有靶材后盖，靶材后盖遮挡在溅射孔的背侧。

进一步地，溅射板上设置有固定架，靶材后盖固定在固定架上。

根据本发明的第二个方面，提供了一种溅射仪，包括溅射真空室和设置在溅射真空室内的溅射靶，溅射靶为上述的溅射靶。

根据本发明的第三个方面，提供了一种利用上述的溅射仪对假体进行涂层的假体涂层方法，包括：步骤一：使溅射仪的遮挡板运动到第一位置，并向假体的外表面溅射第一种物质；步骤二：在预定时间后，使溅射仪的遮挡板运动到第二位置，并向假体的外表面继续溅射第一种物质。

本发明中的溅射靶包括溅射板和用于遮挡该溅射板上的溅射孔的遮挡板，由于遮挡板可运动地设置在溅射板上，这样，可以通过调节遮挡板的位置调整遮挡板所遮挡的溅射孔的通流面积，进而可以利用该溅射板在假体的表面溅射不同比重的靶材原子，进而可以在假体的表面涂覆具有梯度的保护涂层，利用该保护涂层便可以包裹住材质为Ti₆Al₄V合金的假体主体的外表面，防止因Al、V离子析出而出现假体无菌性松动的情况出现，提高了假体的寿命，且防止Al离子和V离子对人体的损害，提高假体使用的安全性和可靠性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的溅射靶的实施例的结构示意图；

图2示出了图1中的溅射靶的后视图；以及

图3使出了根据本发明的溅射仪的实施例的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、溅射板；11、溅射孔；12、固定架；20、遮挡板；30、靶材后盖；40、溅射真空室；41、圆形靶；42、真空系统连接部；43、圆形靶位；44、进取样品门；45、矩形靶；50、驱动装置。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供了一种溅射靶，请参考图1至图3，该溅射靶包括：溅射板10，溅射板10上设置有溅射孔11；遮挡板20，遮挡板20遮挡在溅射孔11处，遮挡板20可运动地设置以调整遮挡板20所遮挡的溅射孔11的通流面积。

本发明中的溅射靶包括溅射板10和用于遮挡该溅射板10上的溅射孔11的遮挡板20，由于遮挡板20可运动地设置在溅射板10上，这样，可以通过调节遮挡板20的位置调整遮挡板20所遮挡的溅射孔11的通流面积，进而可以利用该溅射板10在假体的表面溅射不同比重的靶材原子，进而可以在假体的表面涂覆具有梯度的保护涂层，利用该保护涂层便可以包裹住材质为Ti₆Al₄V合金的假体主体的外表面，防止因Al、V离子析出而出现假体无菌性松动的情况出现，提高了假体的寿命，且防止Al离子和V离子对人体的损害，提高假体使用的安全性和可靠性。

为了比较方便地调整溅射孔11的开度，一种设置方式为，遮挡板20可移动地设置在溅射板10上。这样，可以比较方便地调节遮挡板20的位置。

在本实施例中，溅射孔11为矩形孔，遮挡板20矩形孔的长度方向可移动地设置。这样，有利于调整溅射孔11的开度。

其次，遮挡板20的另一种设置方式为，遮挡板20可转动地设置在溅射板10上。

为了驱动遮挡板20运动，溅射靶还包括：如图1所示，驱动装置50，驱动装置50与遮挡板20连接，以驱动遮挡板20打开或闭合溅射孔11。

具体地，驱动装置50为伺服电机。

在本实施例中，溅射板10内设置有与溅射孔11连通的容纳腔，遮挡板20可移动地设置在容纳腔内。这样，可以减小溅射板的体积，利用抽拉的方式驱动遮挡板20。

在本实施例中，如图2所示，溅射板10的背面设置有靶材后盖30，靶材后盖30遮挡在溅射孔11的背侧。这样，便可以将靶材后盖30上的材料溅射到假体上。

在本实施例中，如图2所示，溅射板10上设置有固定架12，靶材后盖30固定在固定架12上。优选地，溅射板10上设置有凸台，固定架12设置在凸台上。

本实施例还提供了一种溅射仪，如图3所示，包括溅射真空室40和设置在溅射真空室40内的溅射靶，溅射靶为上述的溅射靶。优选地，该溅射仪包括圆形靶41、真空系统连接部42、圆形靶位43、进取样品门44和矩形靶45。

本实施例还提供了一种利用上述的溅射仪对假体进行涂层的假体涂层方法，包括：步骤一：使溅射仪的遮挡板运动到第一位置，并向假体的外表面溅射第一种物质；步骤二：在预定时间后，使溅射仪的遮挡板运动到第二位置，并向假体的外表面继续溅射第一种物质。其中，第一种物质形成假体表面的保护涂层。

本发明通过磁控溅射的方法在髋关节假体和膝关节假体的表面制备TaTiMg梯度合金涂层。因此，为了提高髋关节假体的安全性和使用寿命，可在假体表面制备涂层。

本方案的目的是解决关节假体材料的不足，在人工髋关节假体表面制备一种安全、无毒、耐用的梯度合金涂层。

为了实现上述目的，本发明采用了磁控溅射TaTiMg梯度合金涂层+真空扩散的工艺，工艺原理如下：

磁控溅射即是动能交换的过程，当入射粒子以几十伏的能量入射到靶材表面时，发生弹性碰撞，能量传递给靶表面原子，靶面原子再把这种能量传递给内部原子，这样，能量被逐次传递。当其中一个原子获得指向靶面向外的动量，同时这种动量足够克服表面势垒时，即可以脱离靶面成为溅射原子。被溅射出的原子的能量仅为入射粒子能量的1％左右，大部分能量被消耗在与表层原子的碰撞中。

溅射一般只发生在表面几纳米的原子中，因此可认为溅射发生时原子从表面开始剥离。溅射沉积镀膜即是在高真空条件下，用高能粒子轰击靶材，被轰击出来的粒子充斥在真空室气氛中从而沉积在基体表面生成所需的膜层。溅射涂层技术具有操作简单、工艺重复性好、易实现自动控制等优点。

真空扩散即是为了使溅射涂层的粘结力进一步增加，溅射完成之后再经过真空扩散，即置于真空高温环境中(不要超过基材的熔点)保温一定时间，然后切断电源随炉冷却，使涂层原子与基体原子在交界处充分混合，从而增加涂层粘结力。

本方案的磁控溅射仪采用TaTiMg共同溅射的形式，分别将Ta靶材、Ti靶材和Mg靶材装在溅射仪中。溅射仪的靶台采用特殊设计，靶遮挡板在伺服电机的带动下可以完成打开与闭合动作。当靶遮挡板全部打开，则靶材的全面积发生溅射作用，那逃逸的靶材原子就多，所以合金涂层中含此金属的比重就大；反之，合金涂层中含此金属的比重就小。除靶材金属外，其他部件均采用不易发生溅射作用的材料，避免对涂层产生干扰。

设计此装置可以在制备TaTiMg梯度合金涂层时，实时控制Ta、Ti和Mg元素的比重，可以制备出贴近基材处Ta含量低Ti含量高Mg含量定值，远离基材处Ta含量高Ti含量低Mg含量定值的梯度涂层。

本方案在关节假体表面制备的是TaTiMg梯度合金涂层，采用此涂层的优点如下：

(1)Ta金属、Ti金属和Mg金属都是生物相容性材料，对人体没有毒副作用。

(2)Ta金属、Ti金属和Mg金属的弹性模量较低，尤其是Mg金属，其弹性模量(40Gpa)与人骨的弹性模量(10-30Gpa)非常接近，适合做骨科植入性材料。

(3)Ta金属与Ti金属都可以与氧发生化学反应，分别生成Ta₂O₅与TiO₂的氧化物薄膜，耐腐蚀性强，遭受人体体液腐蚀破坏的风险低；Mg金属与氧发生化学反应，生成MgO，其耐蚀性能不如Ta₂O₅与TiO₂强，但Mg是人体必需的微量元素，可通过被人体代谢掉，所以对人体不会造成影响。其次，镁金属的弹性模量为40Gpa，与人体骨的弹性模量(10-30Gpa)相近，可降低应力遮挡效应。

(4)Ta涂层表面改性处理能有效提高钛合金的抗腐蚀和抗电化学腐蚀性能，为解决生物医用钛合金植入体无菌性松动的问题提供了保证。

(5)在高温状态下，Ti金属可与基体材料(Ti₆Al₄V)中的Ti相互置换，从而提高合金涂层的粘附力，延长髋关节假体使用寿命。

(6)合金涂层存在固溶强化作用，即一种金属元素固溶于另一种金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象，这比单质涂层力学性能好，不容易产生涂层开裂的现象。所以在TaTi合金涂层中再添加微量的Mg，可以提高合金涂层的固溶强化作用，增加涂层的使用寿命。

(7)在贴近Ti₆Al₄V基材处，Ti的含量高，可以使涂层与基体的分界线模糊化，也可以增强涂层的粘附性，延长髋关节假体寿命；在合金涂层外部，Ta的含量高，可以使涂层真空扩散后Ta充分混合到涂层中，增强固溶强化作用，提高涂层强度，延长髋关节假体寿命。Mg的含量定值，但尽量均匀的分散到涂层中去，提高固溶强化作用，提高涂层强度，延长髋关节假体寿命。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明中的溅射靶包括溅射板和用于遮挡该溅射板上的溅射孔的遮挡板，由于遮挡板可运动地设置在溅射板上，这样，可以通过调节遮挡板的位置调整遮挡板所遮挡的溅射孔的通流面积，进而可以利用该溅射板在假体的表面溅射不同比重的靶材原子，进而可以在假体的表面涂覆具有梯度的保护涂层，利用该保护涂层便可以包裹住材质为Ti₆Al₄V合金的假体主体的外表面，防止因Al、V离子析出而出现假体无菌性松动的情况出现，提高了假体的寿命，且防止Al离子和V离子对人体的损害，提高假体使用的安全性和可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。