一种具有自润滑功能的TiN/GO复合陶瓷涂层及其制备方法

本发明属于钛合金改性领域，尤其涉及一种具有自润滑功能的tin/go复合陶瓷涂层及其制备方法。

背景技术：

1、tc4合金耐磨性能差，易导致钛合金人工关节的股骨头处对磨副产生严重磨损，引发骨溶解和无菌松动，这已成为制约其长期健康使用的关键问题。需对其进行表面改性和修饰，改善其耐磨能力。氮化钛(tin)属于陶瓷，拥有良好的生物相容性、耐腐蚀性能和耐磨性能，是一种良好的人体植入材料。大量研究证明，经tin表面涂层改性的钛合金，其在拥有钛合金良好的机械性能的同时，还能在摩擦界面表现出优异的耐磨性能。因此，运用表面改性技术对钛合金表面改性，以获得具备良好耐磨性能陶瓷涂层，是减少钛合金表面磨损的有效方法。

2、然而，tin其过硬的特性和较大的摩擦系数，将会使得股骨头界面的对磨物(髋臼杯内衬)剧烈磨损产生更多磨屑，进而形成骨溶解和无菌松动，这些问题将损害宿主健康，将使得tin陶瓷涂层作为人体植入物受到限制。因此，在人工关节股骨头界面制备自润滑陶瓷涂层，降低关节对磨副的摩擦系数以及磨屑的生成，实现人工关节的长期健康稳定使用，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种tin/go复合陶瓷涂层及其制备方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种tin/go复合陶瓷涂层，所述tin/go复合陶瓷涂层位于tc4基材的表面，所述tin/go复合陶瓷涂层是由质量含量为95–99wt.％tin和质量含量为1-5wt.％go组成的混合粉末制备而成。

4、上述的tin/go复合陶瓷涂层，优选的，所述tin/go复合陶瓷涂层是利用宽带激光熔覆技术熔覆在tc4基材的表面。

5、上述的tin/go复合陶瓷涂层，优选的，所述tin/go复合陶瓷涂层中主要含有tin、go、ti3al、α-ti、ticn和tiv。tc4基材与粉末一起熔融发生化学反应，ti、al和v元素发生反应，形成了alti3和tiv相，涂层形成良好的冶金结合。

6、上述的tin/go复合陶瓷涂层，优选的，所述tin/go复合陶瓷涂层的厚度为200-300μm。

7、作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的tin/go复合陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)将tin和go混合粉末进行预处理；

9、(2)将预处理后的tin和go混合粉末制备成预置粉末浆料；

10、(3)采用宽带激光熔覆工艺，将预置粉末层浆料熔覆在经过预处理的tc4基材表面，在tc4基材表面形成tin/go复合陶瓷涂层。

11、上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，tin和go混合粉末中tin粉末粒径为1-10μm，纯度大于99.9％，go粉末厚度1-10nm，纯度大于99.9％。

12、上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，tin和go混合粉末进行预处理的具体过程为：先分别对tin粉末和go粉末进行干燥处理，然后将干燥的tin粉末和go粉末进行球磨混合12-24h，然后将球磨混合后的粉料加入无水乙醇中，进行超声处理10-30min，最后置于50-100℃真空干燥箱中烘干12-24h。

13、上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，预置粉末浆料的具体制备过程为：将预处理后的tin和go混合粉末添加到1-3wt.％浓度的聚乙烯醇水溶液中，搅拌约5-10min后，超声分散5-10min，得到预置粉末浆料，所述预置粉末浆料的浓度为0.3-0.5g/ml。

14、上述的制备方法，优选的，步骤(3)中，宽带激光熔覆工艺的工艺参数包括：激光功率为1500-2100w，激光扫描速度为150-210mm·min-1，光斑尺寸的长度为15-20mm，宽度为1-3mm，保护气氩气流量5-15l·min-1。

15、上述的制备方法，优选的，步骤(3)中，tc4基材的预处理过程包括将tc4基材置于去离子水和乙醇的混合液中，超声清洗20-30min后，然后在50-100℃真空干燥机中干燥12-24h。

16、氧化石墨烯不具备生物毒性且在广温域表现具有良好润滑性能，本发明通过引入go粉末，利用宽带激光熔覆工艺，能够进一步改善tin涂层的耐磨性能并且降低tin涂层摩擦系数，有利于降低关节对磨副的摩擦系数以及磨屑的生成，达到实现人工关节的长期健康稳定使用的目标。

17、与现有技术相比，本发明的优点在于：

18、(1)本发明的tin/go复合陶瓷涂层中，通过引入tin粉末，利用tin的耐磨性能，使用宽带激光熔覆工艺，熔覆在tc4表面，可以保证涂层的耐磨性能；再结合go粉末，利用go的低摩擦性能，使用宽带激光熔覆工艺，与tin共同熔覆在tc4表面，可以降低涂层摩擦系数，两者协同配合，进而保证复合陶瓷涂层具有良好的耐磨减摩性能，降低磨损体系的摩擦损耗。

19、(2)本发明的tin/go复合陶瓷涂层，适合应用在人工钛合金关节上，避免人工关节过度磨损产生大量磨屑，引发骨溶解和无菌松动。

20、(3)本发明的tin/go复合陶瓷涂层采用宽带激光熔覆工艺制备，容易实行，可靠性好，维护简单，通用性好，生产成本低，便于规模化生产，并且相较圆光斑工艺有着更高的加工效率、更好的涂层质量和结合性能。

技术特征：

1.一种具有自润滑功能的tin/go复合陶瓷涂层，其特征在于，所述tin/go复合陶瓷涂层位于tc4基材的表面，所述tin/go复合陶瓷涂层是由质量含量为95～99wt.％tin和质量含量为1～5wt.％go组成的混合粉末制备而成。

2.如权利要求1所述的tin/go复合陶瓷涂层，其特征在于，所述tin/go复合陶瓷涂层是利用宽带激光熔覆技术熔覆在tc4基材的表面。

3.如权利要求1所述的tin/go复合陶瓷涂层，其特征在于，所述tin/go复合陶瓷涂层中主要含有tin、go、ti3al、α-ti、ticn和tiv。

4.如权利要求1所述的tin/go复合陶瓷涂层，其特征在于，所述tin/go复合陶瓷涂层的厚度为200-300μm。

5.一种如权利要求1～4中任一项所述的tin/go复合陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，tin和go混合粉末中tin粉末粒径为1-10μm，纯度大于99.9％，go粉末厚度为1-10nm，纯度大于99.9％。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，tin和go混合粉末进行预处理的具体过程为：先分别对tin粉末和go粉末进行干燥处理，然后将干燥的tin粉末和go粉末进行球磨混合12-24h，然后将球磨混合后的粉料加入无水乙醇中，进行超声处理10-30min，最后置于50-100℃真空干燥箱中烘干12-24h。

8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，预置粉末浆料的具体制备过程为：将预处理后的tin和go混合粉末添加到1-3wt.％浓度的聚乙烯醇水溶液中，搅拌5-10min后，超声分散5-10min，得到预置粉末浆料。

9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，宽带激光熔覆工艺的工艺参数包括：激光功率为1500-2100w，激光扫描速度为150-210mm·min-1，光斑尺寸的长度为15-20mm，宽度为1-3mm，保护气氩气流量5-15l·min-1。

10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，tc4基材的预处理过程包括将tc4基材置于去离子水和乙醇的混合液中，超声清洗20-30min后，然后在50-100℃的真空干燥机中干燥12-24h。

技术总结
本发明公开了一种具有自润滑功能的TiN/GO复合陶瓷涂层，该TiN/GO复合陶瓷涂层位于TC4基材的表面，TiN/GO复合陶瓷涂层是由质量含量为95～99wt.％TiN和质量含量为1～5wt.％GO组成的混合粉末制备而成。其制备方法：将TiN和GO混合粉末进行预处理；将预处理后的TiN和GO混合粉末制备成预置粉末浆料；采用宽带激光熔覆工艺，将预置粉末浆料熔覆在经过预处理的TC4基材表面，在TC4基材表面形成TiN/GO复合陶瓷涂层。本发明的TiN/GO复合陶瓷涂层中具有良好的耐磨减摩性能，降低磨损体系的摩擦损耗。

技术研发人员：刘德福,刘鉴,邓子鑫,李春叶
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13