Ti-6Al-4V合金表面激光熔覆生物活性复合涂层的研究

摘要

Ti-6Al-4V合金由于具有与人骨相近的密度和优良的综合力学性能，在医用植入体领域获得了广泛的应用。但是Ti-6Al-4V合金的耐磨性、耐腐蚀性和生物活性较差，限制了其临床应用的推广。而羟基磷灰石(HA)具有良好的生物相容性和生物活性，但力学性能较差。因此，在钛合金基体表面涂覆HA涂层，综合利用基体的力学性能和涂层的生物性能，被认为是最具应用前景的骨植入材料制备方法。本文针对钛合金骨科植入体的临床需求，利用CO2激光器，通过预置激光熔覆的方法在Ti-6Al-4V合金表面制备Ti-6Al-4V和HA的生物活性复合涂层。
　　设计生物复合涂层粉末的组成和预置厚度，采用CO2激光圆形和矩形两种光斑形式，优化激光熔覆工艺参数进行单道熔覆试验。选用HA质量配比40％、60%和80%，预置厚度0.3mm，采用离焦量30mm圆形光束，选择工艺参数为激光功率P=0.6kW，扫描速度V=0.3m/min；采用光斑尺寸D=2×4mm矩形光束，选择工艺参数为激光功率P=1.0W，扫描速度V=0.3m/min。采用搭接率20%制备了表面平整的多道搭接涂层。
　　对生物复合涂层的组织结构和力学性能进行了研究。结果表明：涂层与基体之间实现了良好的冶金结合，涂层上部组织为细小的等轴晶，中下部为树枝晶和胞状树枝晶；涂层主要由α-Ti、Ti3P、TiO、CaTiO3和β-Ca3(PO4)2相组成；由于晶粒得到细化，且生成硬质陶瓷相，激光熔覆后涂层的显微硬度明显提高；涂层的摩擦系数、磨损失重量和磨痕宽度均低于基体，表明生物涂层显著改善了基体的耐磨性能，磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损。
　　此外，对生物复合涂层的表面润湿性能和生物活性进行了评价。模拟体液(SBF)在复合涂层表面的接触角小于在基体表面的测量值，说明激光熔覆生物复合涂层的体液润湿性能优于基体。60%HA复合涂层在SBF浸泡14天后表面出现了块状和团簇状磷灰石沉积物，且沉积物具有灰色复合层和白色磷灰石层的典型结构，表明复合涂层具有一定的生物活性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的

1.2 国内外研究现状

1.3 课题主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试验方法

2.4 组织结构分析

2.5 力学性能分析

2.6 生物学性能分析

第3章 激光熔覆生物活性复合涂层工艺研究

3.1 引言

3.2 生物活性复合涂层成分配比的确定

3.3 钛合金表面生物复合涂层的预置

3.4 生物复合涂层气孔缺陷的预防

3.5 激光熔覆工艺参数研究

3.6 本章小结

第4章 生物复合涂层微观组织的研究

4.1 引言

4.2 生物复合涂层微观组织分析

4.3 生物复合涂层的成分分析

4.4 生物复合涂层的物相分析

4.5 显微硬度分析

4.6 本章小结

第5章 生物复合涂层的性能研究

5.1 引言

5.2 摩擦磨损性能分析

5.3 表面润湿性分析

5.4 体外生物活性分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢