一种钽金属表面激光多层熔覆Ta2O5陶瓷涂层的方法技术

本发明专利技术公开了一种钽金属表面激光多层熔覆Ta2O5陶瓷涂层的方法，属于材料制造技术领域。该方法利用Ta2O5陶瓷粉末良好的透光率，及其与钽基合金优良的相容性，采用粉末预置法在钽基合金表面直接多层熔覆具有一定尺寸厚度的单一Ta2O5陶瓷涂层。本方法操作简单，对粉末条件限制少，熔覆过程不需要惰性气体保护，制造成本低。本发明专利技术钽基金属表面激光多层熔覆制备Ta2O5陶瓷涂层具有组织均匀、致密性好，气孔少等优良的熔覆性能和单一的Ta2O5相结构，适用于Ta基金属表面制备植入物涂层、高温耐磨和光学涂层等应用领域。

A multilayer laser cladding of tantalum metal surface Ta

The invention discloses a laser multi-layer cladding Ta of tantalum metal surface

【技术实现步骤摘要】
一种钽金属表面激光多层熔覆Ta2O5陶瓷涂层的方法
本专利技术属于材料制造
，具体涉及一种钽金属表面激光多层熔覆制备具有一定尺寸厚度Ta2O5陶瓷涂层的方法。
技术介绍
难熔金属Ta及其合金因其性质稳定、耐腐蚀、耐高温被广泛应用于人体骨关节替代材料和高温宇航材料。近年来，钽基金属表面制备Ta2O5陶瓷涂层获得了材料制备领域的广泛关注。研究发现，钽金属硬度较低，而难熔金属氧化物Ta2O5不仅熔点高达1872℃，而且陶瓷相的高硬度使其可作为Ta基金属表面耐热、耐磨、耐热蚀及热障保护涂层；其次，Ta2O5还具有良好的生物相容性，在钽金属表面制备Ta2O5涂层用于整形外科或人体骨关节植入物，涂层不仅可以提高耐人体腐蚀磨损性能，提供更加优异的骨生长和附着，更重要的是可以避免金属离子在生理环境下溶出产生的毒性。此外，Ta2O5陶瓷具有高的透光率，较宽的光谱透过范围(300nm-10μm)，是光学玻璃和高温玻璃领域最常用的高折射率块体和涂层材料。目前，报道了许多金属基底表面制备Ta2O5涂层的技术，主要包括：脉冲激光沉积、水解缩合、原子层沉积、过滤阴极电弧沉积、射频溅射、直流反应磁控溅射和聚合物辅助沉积等等。然而，上述技术集中于制备厚度限制于微米尺寸的薄膜。过薄的涂层易发生磨损失效，不能满足其作为高温耐磨涂层和人体植入物涂层等领域对力学性能有要求的零器件表面。已有制备大块或在金属表面制备Ta2O5厚涂层的方法主要是真空热压烧结技术，由于Ta2O5陶瓷高的熔点，很少报道采用凝固技术制备。中国专利公开号CN1587200A公布了一种激光加热基座单晶生长法通过提拉制备Ta2O5块体透明陶瓷的方法，该技术首先将陶瓷粉料压制成坯材，然后利用高功率激光作为热源固定加热陶瓷坯材的一端使陶瓷坯熔化，通过提拉能使晶体定向生长。该技术与常规Bridgman单晶生长法相比可提供更高的温度梯度和生长速度。也有报道采用激光快速烧结技术制备Ta2O5陶瓷，但上述激光技术重点仍是制备块体Ta2O5陶瓷或单晶，不能用于涂层材料的制备。激光多层熔覆技术制备单一陶瓷涂层，已有研究主要集中于金属表面制备ZrO2+Y2O3和Al2O3等成分热障涂层。存在的问题是由于陶瓷和金属基体热物理性能差异较大，金属表面直接熔覆陶瓷涂层一般成形性不好、易开裂、多孔隙。此外，陶瓷粉末多为白色或浅黄色，吸光率低、反光率高也是其不能充分熔化，成形性不好的重要原因。解决的方法：①在陶瓷涂层中添加Ni、Co基合金，制备金属-氧化物复合材料涂层；②先用热喷涂等其它技术制备陶瓷涂层，然后进行激光重熔；③基体金属表面先制备合金打底层过渡，再制备陶瓷涂层。最常见的打底层成分是MCrAlY等，但对于人体骨替代材料而言打底层复杂的金属成分会带来严重的金属毒性，并非最优选择。④探索能实现陶瓷与基体金属在激光溶池凝固过程中可发生良好液相反应，具有良好相容性的金属基体与陶瓷涂层材料。但由于多数金属与陶瓷之间热物理性能的显著差异，需在较宽的选材范围内尝试特定的金属与陶瓷材料组合，少见文献报道。可见，开发Ta基金属表面直接制备Ta2O5厚陶瓷涂层新技术对钽金属的应用将有重要意义。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术要解决的技术问题是提供一种在钽金属表面直接进行激光多层熔覆制备具有一定尺寸厚度Ta2O5陶瓷涂层的方法，以期该方法操作简单，对粉末条件限制少，熔覆过程不需要惰性气体保护，制造成本低，涂层熔覆质量优异，应用领域广泛。为了解决以上技术问题，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的。本专利技术一种钽金属表面激光多层熔覆Ta2O5陶瓷涂层的方法，利用Ta2O5陶瓷粉末良好的透光率，及其与钽基合金优良的相容性，采用粉末预置法在钽基合金表面直接多层熔覆具有一定尺寸厚度的单一Ta2O5陶瓷涂层，具体步骤如下：(1)涂层材料为Ta2O5陶瓷，待熔覆Ta2O5陶瓷可选用市场上商业化粉末，纯度>99％；(2)基体材料选择钽基合金或纯钽金属，熔覆前表面进行平整打磨去油污；(3)激光多层熔覆采用预置粉末法制备。预置法过程如下：首先，将Ta2O5陶瓷粉末预先铺在Ta基体金属表面，铺粉厚度0.8～2mm。随后，进行激光熔覆，熔覆后可形成0.2～0.5mm厚度的Ta2O5陶瓷涂层。再然后，在第一层Ta2O5熔覆层表面直接铺设第二层Ta2O5粉末进行激光熔覆。最后，根据对Ta2O5涂层厚度的最终应用需要可反复叠加多层，直至熔覆后Ta2O5涂层达到所需厚度。进一步的，所述钽基合金为钽钨合金或钽铌合金。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：(1)本专利技术基体金属限定为钽基金属材料，涂层材料限定为Ta2O5陶瓷。考虑到陶瓷涂层与金属材料之间存在明显的热物理性能差异，普遍认为陶瓷与基体金属相容性不好，难以发生良好液相反应。本专利技术之前少见成功在金属表面直接激光熔覆高质量陶瓷涂层的报道。本专利技术研制过程中尝试采用Ti和钢铁等其它金属作为基体材料熔覆Ta2O5涂层，研究发现只有钽基金属是最好的基体，可与Ta2O5陶瓷形成良好的液相反应和成形性，其它金属基体表面制备Ta2O5涂层均不能获得良好的成形性。可能的原因，一方面白色的Ta2O5粉末与其它陶瓷材料相比具有很高的透光率，熔覆过程中激光热源因反射损失少，能使Ta2O5粉末和钽金属表层在激光溶池内充分熔化，从而使涂层和基体形成良好的液相反应和冶金结合。另一方面，Ta金属与激光辐照熔化的Ta2O5液相具有良好的相容性和润湿性。(2)本专利技术研制中发现与激光熔覆金属材料涂层相比，由于Ta2O5陶瓷粉末质量较轻、疏松，预铺设0.8-2mm粉末激光熔覆仅能形成0.2-0.5mm厚度的涂层，而一般金属粉末可形成0.6-1.5mm厚的的涂层。因此，为了实现厚Ta2O5陶瓷制备的目的，本方法采用多层叠加熔覆技术。(3)由于Ta2O5陶瓷粉末的商业制备方法与真空雾化制备金属粉末有很大差别，市场上所售Ta2O5粉末流动性均难以满足送粉器输送粉末的要求，本专利技术采用预置粉末法进行激光熔覆。(4)本方法制备Ta2O5陶瓷涂层厚度可控，多层熔覆后层与层之间粘结紧密，看不出明显的界面，质量优良。这主要是由于Ta2O5陶瓷熔化后粘度较高，使层与层之间能实现紧密粘附。因此，多层熔覆的时候均不需对表面进行平整打磨即可获得高质量涂层。(5)熔覆过程中可不需通入惰性气体进行保护，节约制备成本，操作简单。金属粉末在激光高温溶池中极易发生氧化，因此通常需进行惰性气体保护，同时粉末中一般需添加粘结剂避免惰性气体保护过程中吹散粉末。而陶瓷粉末较轻，更易被惰性气体吹散，粘结剂的添加对涂层纯度又有影响。本方法在研究过程中发现Ta2O5陶瓷本身是一种氧化物，即使不进行惰性气体保护导致溶池中氧含量增高，涂层凝固后仍能获得单一的Ta2O5相。因此，提出在激光熔覆制备过程中不需要同时输入惰性气体保护，也不需要使用粘结剂，简化了工艺、提高了效率且降低了成本。(6)金属钽与Ta2O5陶瓷良好的液相反应使涂层与基体能实现冶金结合，界面结合紧密，稀释率小。(7)本专利技术钽基金属表面激光多层熔覆制备Ta2O5陶瓷涂层具有组织均匀、致密性好，气孔少等优良的熔覆性能和单一的Ta2O5相结构，适用于Ta基金属表面制备植入物涂层、高温耐磨和光学涂层应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钽金属表面激光多层熔覆Ta

【技术特征摘要】
1.一种钽金属表面激光多层熔覆Ta2O5陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述涂层材料为Ta2O5陶瓷粉末，纯度>99％；基体材料选择钽基合金或纯钽金属，熔覆前基体材料表面进行平整打磨去油污；所述激光多层熔覆采用预置粉末法制备，具体步骤是：(1)将Ta2O5陶瓷粉末预先铺在钽基合金或纯钽金属表面，铺粉厚度0.8-2mm；(2)进行激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晖，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34