一种激光与阳极氧化复合制备钛合金仿生涂层的方法技术

本发明专利技术公开了一种激光与阳极氧化复合制备钛合金仿生涂层的方法，所述方法为：将激光预处理后的钛合金置于无水乙醇或丙酮中超声清洗5‑10min，取出后用蒸馏水冲洗干净，置于碱性除油液中浸泡后取出，依次用流动热水和流动冷水冲洗，放入阳极氧化液中，以不锈钢为阴极，阳极氧化处理60‑90min，获得具有仿生涂层的钛合金；本发明专利技术较传统阳极氧化方法，在阳极氧化前采用无污染的激光预处理钛合金表面，更易调整钛合金表面微观组织结构，而且所采用的阳极氧化主要成分为苹果酸，整个工艺不使用氢氟酸、硫酸、硝酸等强酸性物质，安全无毒，把对环境的污染和对人体的危害降到最低。极大提高材料的生物活性、耐磨性和耐蚀性，提高植入体的使用寿命。

Method for preparing titanium alloy bionic coating by laser and anodic oxidation

The invention discloses a biomimetic coating method of titanium alloy laser and anodizing composite prepared by the method is as follows: the laser after pretreatment of the titanium alloy in ethanol or acetone ultrasonic cleaning 5 10min, after removing the rinse with distilled water, soaked in oil removal in alkaline washing out, followed by the flow of hot water and cold water, into the anodizing solution, with stainless steel as cathode, anode oxidation treatment of 60 90min, obtained titanium alloy with biomimetic coating; the invention is better than the traditional method of anodic oxidation, the surface of titanium alloy laser pretreatment pollution in anodic oxidation, it is easier to adjust the microstructure of titanium the alloy surface structure, the main component of anodic oxidation and the malic acid, the whole process does not use hydrofluoric acid, sulfuric acid, nitric acid and other acidic substances, safe and non-toxic to the environment. The pollution and the harm to human body is lowest. The biological activity, wear resistance and corrosion resistance of the material are greatly improved, and the service life of the implant is improved.

【技术实现步骤摘要】
一种激光与阳极氧化复合制备钛合金仿生涂层的方法(一)
本专利技术涉及一种钛合金仿生涂层的复合制备方法，特别涉及一种激光加工和阳极氧化结合，在钛合金表面制备具有良好耐腐蚀性能和生物活性的仿生结构层。(二)
技术介绍
钛合金密度小，比强度高，具有良好的耐蚀性、疲劳抗力，广泛应用于航空航天、国防、汽车、医疗等领域。特别是在医疗植入体方面，由于钛合金是生物惰性，不能与骨形成化学结合，同时其耐磨性和耐蚀性有一定的局限。因此人们尝试各种表面改性技术，使钛合金表面形成具仿生结构的表面层，以综合提高钛合金表面性能。阳极氧化作为一种表面改性技术，虽然可以形成具有微纳多级孔洞结构的二氧化钛凝胶层，但存在工艺过程污染严重，表面孔洞结构不可控等问题。氧化层的孔洞大小和厚度只能通过阳极氧化的工艺参数来单方面调控。由于激光特有的优良属性，已被广泛应用于科学技术研究和工业生产。激光表面处理后形成的组织，化学均匀性高，通过激光处理工艺参数的调整能便捷地调控表层微观组织，显著提高合金耐磨和耐蚀性。本专利技术则是结合这两种技术优势，采用激光预处理调控钛合金表面的微观组织结构，然后通过阳极氧化方法制备表面仿生结构。(三)
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种激光与阳极氧化复合制备钛合金仿生涂层的方法，在钛合金表面制备具有微纳孔洞结构的仿生氧化层，并且有效调控钛合金表面组织和仿生结构尺寸，从而提高钛合金植入体的生物活性以提高其使用寿命。本专利技术采用的技术方案是：本专利技术提供一种激光与阳极氧化复合制备钛合金仿生涂层的方法，所述方法为：(1)采用激光对钛合金材料表面扫描，获得激光预处理后的钛合金；(2)将步骤(1)激光预处理后的钛合金置于无水乙醇或丙酮中超声清洗5-10min，取出后用蒸馏水冲洗干净，获得清洗后的钛合金；(3)将步骤(2)清洗后的钛合金置于碱性除油液中浸泡后取出，依次用流动热水(优选80℃)和流动冷水冲洗，获得除油后的钛合金；所述碱性除油液组成：10-20g/L硅酸钠、10-20g/L碳酸钠、10-50g/L氢氧化钠，溶剂为去离子水，优选碱性除油液组成：20g/L硅酸钠、20g/L碳酸钠、50g/L氢氧化钠，溶剂为去离子水；(4)将步骤(3)除油后的钛合金作为阳极放入阳极氧化液中，以不锈钢为阴极(阳极阴极面积比为1:2)，阳极氧化处理60-90min，获得具有仿生涂层的钛合金；所述阳极氧化液组成为：苹果酸5-100g/L、Na2SiO35-20g/L、CaCl21-10g/L、Na2HPO41-10g/L，溶剂为去离子水。进一步，优选的，步骤(1)的激光预处理条件为：激光光斑0.1mm、激光功率200-500W、扫描速度100-3000mm/s、扫描间距0.04-0.06mm，更优选激光光斑0.1mm、激光功率500W、扫描速度100-3000mm/s、扫描间距0.06mm。进一步，步骤(3)中，所述浸泡是在60℃条件下浸泡20min。进一步，优选的，步骤(4)的阳极氧化处理条件为：脉冲电源电流密度4-10A/dm2、脉冲频率为1-2Hz、占空比为20-60％、温度为10-30℃、搅拌速度100-300r/min，更优选脉冲电源电流密度为5-9A/dm2、冲频率为1Hz、占空比为50％、温度为10℃、搅拌速度为100r/min。进一步，优选所述阳极氧化液组成为：苹果酸5-50g/L、Na2SiO35-10g/L、CaCl21-3g/L、Na2HPO41-3g/L，溶剂为去离子水，更优选所述阳极氧化液组成为：苹果酸5-50g/L、Na2SiO35g/L、CaCl23g/L、Na2HPO43g/L，溶剂为去离子水。进一步，优选钛合金材料为TC4钛合金。本专利技术利用激光和阳极氧化复合技术来处理钛合金表面，是通过激光对钛合金表面组织的细化，提高材料表面的电化学反应速度，从而调控氧化层的孔洞大小、厚度和相组成，制备出具有良好耐腐蚀性能和生物活性的仿生结构层。与现有技术相比，本专利技术有益效果主要体现在：(1)本专利技术较传统阳极氧化方法，在阳极氧化前采用无污染的激光预处理钛合金表面，更易调整钛合金表面微观组织结构，而且所采用的阳极氧化主要成分为苹果酸，整个工艺不使用氢氟酸、硫酸、硝酸等强酸性物质，安全无毒，把对环境的污染和对人体的危害降到最低。(2)本专利技术较单一激光加工技术而言，可以处理几何形态相对复杂的植入体，能广泛的运用到医学植入体的生产设计当中。(3)通过激光加工和阳极氧化技术的结合，可以有效调控钛合金表层的微观组织，加快氧化时的元素扩散以及后续氧化层孔洞的大小。极大提高材料的生物活性、耐磨性和耐蚀性，提高植入体的使用寿命。(四)附图说明图1为实施例1制备的样品1的表面仿生结构的SEM图；图2为实施例1制备的对照样品的表面仿生结构的SEM图；图3为实施例2制备的样品2的表面仿生结构的SEM图；图4为实施例3制备的样品3的表面仿生结构的SEM图；图5为实施例1-3制备的样品1-样品3和对照样品在仿生环境下极化曲线对比图；图6是羟基磷灰石沉积效果图，a为样品1，b为对照体。(五)具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步描述，但本专利技术的保护范围并不仅限于此：实施例1(1)样品及试剂的制备取20×20×5mm的TC4钛合金，采用500wIPG光纤激光器。在激光功率500W，光斑直径0.1mm，扫描间距0.06mm，扫描速度1000mm/s条件下，扫描合金表面获得激光预处理后的TC4钛合金样品1。对照样品：未经激光预处理的TC4钛合金。(2)阳极氧化处理分别将步骤(1)激光预处理后的TC4钛合金样品1和对照样品置于无水丙酮中超声清洗5-10min，取出后用蒸馏水冲洗干净，放入碱性除油液中，60℃下浸泡20min，然后依次经80℃流动热水洗，流动冷水洗干净；再放入阳极氧化液中作为阳极，以不锈钢为阴极，阳极阴极面积比为1:2，在脉冲电源电流密度为9A/dm2、冲频率为1Hz、占空比为50％、温度为10℃、搅拌速度为100r/min的条件下处理60min，分别具有仿生涂层的钛合金样品1和对照样品。碱性除油液组成：20g/L硅酸钠、20g/L碳酸钠、50g/L氢氧化钠，溶剂为去离子水。阳极氧化溶液组成：苹果酸50g/L、Na2SiO35g/L、CaCl23g/L、Na2HPO43g/L，溶剂为去离子水。实施例2激光扫描速度1500mm/s，阳极氧化液组成为：苹果酸25g/L、Na2SiO35g/L、CaCl23g/L、Na2HPO43g/L，溶剂为去离子水。在脉冲电源电流密度为7A/dm2、冲频率为1Hz、占空比为50％、温度为10℃、搅拌速度为100r/min的条件下处理60min，其它同样品1的制备，获得具有仿生涂层的钛合金样品2，观察其表面形貌。实施例3激光扫描速度3000mm/s，阳极氧化液组成为：苹果酸5g/L、Na2SiO35g/L、CaCl23g/L、Na2HPO43g/L，溶剂为去离子水。在脉冲电源电流密度为5A/dm2、冲频率为1Hz、占空比为50％、温度为10℃、搅拌速度为100r/min的条件下处理60min，其它操作同样品1的制备，获得具有仿生涂层的钛合金样品3，观察其表面形貌。实施例4性能观察及测试(1)成膜效果利用场发式扫描电镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光与阳极氧化复合制备钛合金仿生涂层的方法，其特征在于所述方法为：(1)采用激光对钛合金材料表面扫描，获得激光预处理后的钛合金；(2)将步骤(1)激光预处理后的钛合金置于无水乙醇或丙酮中超声清洗5‑10min，取出后用蒸馏水冲洗干净，获得清洗后的钛合金；(3)将步骤(2)清洗后的钛合金置于碱性除油液中浸泡后取出，依次用流动热水和流动冷水冲洗，获得除油后的钛合金；所述碱性除油液组成：10‑20g/L硅酸钠、10‑20g/L碳酸钠、10‑50g/L氢氧化钠，溶剂为去离子水；(4)将步骤(3)除油后的钛合金作为阳极放入阳极氧化液中，以不锈钢为阴极，阳极氧化处理60‑90min，获得具有仿生涂层的钛合金；所述阳极氧化液组成为：苹果酸5‑100g/L、Na

【技术特征摘要】
1.一种激光与阳极氧化复合制备钛合金仿生涂层的方法，其特征在于所述方法为：(1)采用激光对钛合金材料表面扫描，获得激光预处理后的钛合金；(2)将步骤(1)激光预处理后的钛合金置于无水乙醇或丙酮中超声清洗5-10min，取出后用蒸馏水冲洗干净，获得清洗后的钛合金；(3)将步骤(2)清洗后的钛合金置于碱性除油液中浸泡后取出，依次用流动热水和流动冷水冲洗，获得除油后的钛合金；所述碱性除油液组成：10-20g/L硅酸钠、10-20g/L碳酸钠、10-50g/L氢氧化钠，溶剂为去离子水；(4)将步骤(3)除油后的钛合金作为阳极放入阳极氧化液中，以不锈钢为阴极，阳极氧化处理60-90min，获得具有仿生涂层的钛合金；所述阳极氧化液组成为：苹果酸5-100g/L、Na2SiO35-20g/L、CaCl21-10g/L、Na2HPO41-10g/L，溶剂为去离子水。2.如权利要求1所述激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴国龙，姚建华，王晔，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33