专利名称：一种降低等离子喷涂硅灰石涂层溶解度的方法
技术领域：
本发明专利涉及一种降低等离子喷涂硅灰石涂层溶解度的方法，更确切地说是提 高等离子喷涂硅灰石涂层结晶度、降低孔隙率，从而降低涂层溶解度的方法，属于医用生物 陶瓷涂层领域。
背景技术：
随着科学技术的发展和人口老龄化，以及工业、交通、体育等导致的创伤增加，人 们对生物医用材料及其制品的需求越来越大，而人体器官组织的储备严重短缺，来源非常 有限，于是开发各种类似人体原组织功能的人工医用生物材料非常重要和紧迫。目前生物医用材料种类繁多，其中在金属基体上采用等离子喷涂方法制备陶瓷涂 层，综合利用金属基体的优良力学性能与陶瓷材料的良好生物学性能成为承载骨替换材料 以及种植牙等硬组织替换材料的首选，一般在钛合金基体上制备羟基磷灰石(HA)涂层。但 是等离子喷涂HA涂层有两个明显的缺点一是结晶度较低，一般为40-55%之间，较低的结 晶度会造成涂层的早期溶解和降低植入体的使用寿命；二是由于羟基磷灰石涂层与钛合金 基体的热胀系数差别大，造成涂层与钛合金基体的结合强度低，使植入体面临涂层剥落的 危险。随着HA涂层假体的广泛临床应用，返修病例随即增多，造成返修的主要原因是涂层 的剥落、断裂、翘曲、磨损、降解以及颗粒形成等造成的假体松动。近年来研究表明等离子喷 涂硅灰石涂层与钛合金基体的结合强度比HA涂层的结合强度提高近一倍，同时硅灰石涂 层在体液中具有良好的生物活性、生物相容性和骨诱导特性，是潜在的骨替代材料。但是喷 涂态硅灰石涂层的结晶度依然较低，造成其溶解度高，涂层的稳定性差。目前降低等离子喷涂涂层溶解度的方法主要是通过提高涂层的结晶度，如在喷涂 过程后采用火焰蒸汽处理技术或与蒸汽直接接触(专利一种提高等离子喷涂羟基磷灰石 涂层结晶度的方法，公开号CN12M031A ；专利等离子喷涂羟基磷灰石涂层后处理方法，申 请号03117835. 9)，或在喷涂后采用热处理法和激光法等后处理工艺。但是附加的处理工 艺使得生物涂层的制备工艺变得更加复杂。另外，等离子喷涂涂层中存在大孔隙、层间未结 合区域以及垂直裂纹，这些孔隙是等离子喷涂的喷涂态涂层的固有特点。孔隙的存在使得 体液容易进入到生物涂层内部，从而进一步增加其溶解度。通过“国家知识产权局”网上专利检索，以“硅灰石”为关键词，共搜索到发明专利 53条，实用新型专利5条。但迄今没有发现在降低硅灰石涂层溶解度方面的专利。以“等 离子喷涂羟基磷灰石涂层”为关键词，搜索到发明专利2条，这两个发明专利均基于粉末脱 羟基的失水过程、并利用水蒸气进行处理的方法进行的。
发明内容
针对等离子喷涂硅灰石涂层溶解度大的问题，本发明旨在通过提高涂层的结晶 度、降低涂层的孔隙率，从而达到降低等离子喷涂硅灰石涂层溶解度的目的。本发明是通过以下技术方案实现的
一种降低等离子喷涂硅灰石涂层溶解度的方法，其特征在于，所述方法包括如下 步骤1.钛合金基体经过喷砂粗化处理后，放置于丙酮溶液中用超声波清洗，然后烘 干；2.在钛合金基体的背面(相对于喷涂面)通过盲孔法插入K型热电偶，在喷涂预 热和制备涂层过程中，通过温度显示表测量得到基体温度；3.涂层制备前，采用等离子喷涂系统的焰流作为热源对钛合金基体表面进行预执.4.预热温度达到400°C 600°C时，开始送粉喷涂并沉积涂层。在上述技术方案中，喷枪与基体表面之间距离优选为80 110mm，等离子喷涂功 率为；34 39kW，电弧电流为580 620A，电弧电压为58 63V。有益效果本发明专利制备的等离子喷涂硅灰石涂层，与未预热基体以及传统预热温度 (2000C )的基体上沉积的涂层相比，结晶度增加(图2)，涂层孔隙率降低(图2)。涂层的 溶解度(钙离子溶解状况见图3，硅离子溶解状况见图4)下降，pH值增加幅度减小(图5)。 本发明的方法降低了等离子喷涂硅灰石涂层的溶解度，增加了其在体内的稳定性，且工艺 简单，实施性强。
图1是本发明专利的结构示意图，1-基体，2-等离子火焰，3-热电偶，4-温度显示 表图2是不同基体温度下涂层的结晶度和孔隙率示意3是不同基体温度下涂层在标准体液中浸泡后溶液的Ca离子浓度示意4是不同基体温度下涂层在标准体液中浸泡后溶液的Si离子浓度示意5是不同基体温度下涂层在标准体液中浸泡后溶液的pH值示意6时基体温度650度时等离子喷涂硅灰石粒子的扁平形貌
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。实施例以材料为Ti6A14V，尺寸为16mmX IOmmX 5mm的基体为例。1.粉末制备商用硅灰石粉末经球磨、雾化干燥后，通过160目和320目筛子过筛得到粒度 50 100 μ m的喷涂粉末。2.基体预处理对基体进行喷砂粗化处理后，将基体放置于丙酮溶液中用超声波清洗15分钟，再 用去离子水冲洗，然后烘干。3.予页热与涂Hl泡丨备过稈工艺涂层喷涂前，固定好基体，利用等离子喷涂系统焰流对基体表面进行预热，通过基体后部小孔中埋入的K型热电偶测量基体预热温度。在基体温度预热到400°C、600°C时，分别开启送粉器送入粉末，在Ti6A14V基体上 制备硅灰石涂层。喷涂过程中的试验参数为电弧电流为600A，电弧电压为60V，主气(氩 气)压力0. 4MPa，次气(氢气)压力0. 25MPa，喷涂距离为100mm。涂层厚度约为100 μ m。当基体温度超过600°C后(如在650°C时)，钛合金基体表面氧化严重，涂层与基体 间的结合性能降低。由于氧化影响，形成的单个粒子发生碎裂(见图6)。上述两者共同作 用必然导致涂层的整体性能下降，因此基体温度超过600°C的涂层反而不能满足本发明的 要求。4.糊··统工摊丨碰箱制备等离子喷涂涂层时，传统工艺一般对基体不预热，或是预热温度较低。本发明 则在较高的基体温度下制备涂层。结果表明随着基体温度升高，涂层结晶度显著增加，由室 温下沉积涂层的36%增加到63% (图幻，涂层孔隙率(图幻下降，而涂层中的钙离子和硅 离子的溶解度(图3-4)呈下降趋势，ρΗ值的增加幅度减小。可见，钛合金基体温度在400°C 600°C范围内时，涂层的溶解度降低，增强了涂 层在体内的稳定性，从而可以进一步延长生物涂层在体内的服役寿命。
权利要求
1.一种降低等离子喷涂硅灰石涂层溶解度的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤1)钛合金基体经过喷砂粗化处理后，放置于丙酮溶液中用超声波清洗，然后烘干；2)在钛合金基体的背面(相对于喷涂面)通过盲孔法插入K型热电偶，在喷涂预热和 制备涂层过程中，通过温度显示表测量得到基体温度；3)涂层制备前，采用等离子喷涂系统的焰流作为热源对钛合金基体表面进行预热；4)预热温度达到400°C 600°C时，开始送粉喷涂并沉积涂层。
2.如权利要求1所述的降低等离子喷涂硅灰石涂层溶解度的方法，其特征在于，所述 方法步骤4)中，送粉喷涂时，喷枪与基体表面之间距离优选为80 1 IOmm,等离子喷涂功率 为；34 39kW，电弧电流为580 620A，电弧电压为58 63V。
全文摘要
本发明提供一种降低等离子喷涂硅灰石涂层溶解度的方法。涂层喷涂前，利用等离子喷涂系统的等离子焰流作为热源，对基体表面预热。当基体达到400℃～600℃时立刻进行喷涂，实现涂层结晶度提高以及孔隙率的降低，从而达到降低涂层溶解度并提高涂层在体内稳定性的目的。本发明提供的降低等离子喷涂硅灰石涂层溶解度的方法具有工艺简单、易于操作、效果显著等特点。
文档编号C23C4/10GK102127730SQ20101061602
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者梁佳春, 洪火星, 涂善东, 王卫泽, 轩福贞 申请人:华东理工大学