一种钛锆基合金表面微纳嵌套涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛锆基合金表面微纳嵌套复合涂层及其制备方法，属于合金表面改性技术领域。钛合金表面微纳嵌套复合涂层的制备方法包括：将钛锆基合金表面清洁处理后通过磁控溅射镀膜技术在表面形成纯钛层，然后通过电解刻蚀将纯钛层刻蚀出深孔，最后将通过阳极氧化在深孔位置得到氧化钛纳米管，形成氧化钛纳米管嵌套与纯钛层的微纳嵌套复合涂层。本发明专利技术形成的嵌套复合涂层能够显著提升钛锆基合金的作为医用植入材料的表面性能，其表面硬度为基材表面硬度的234%，在模拟体液中的摩擦系数最低约为基材摩擦系数的40%，并且显著提升其在模拟体液中的耐腐蚀性。模拟体液中的耐腐蚀性。模拟体液中的耐腐蚀性。

【技术实现步骤摘要】
一种钛锆基合金表面微纳嵌套涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及合金表面改性
具体的说是涉及一种钛锆基合金表面微纳嵌套复合涂层及其制备技术。

技术介绍

[0002]钛合金具有低模量、良好的生物相容性、无毒性等优良性能，是重要的、最常用的生物材料。“应力屏蔽”效应是硬组织植入材料的有害现象。许多研究人员致力于减少甚至消除“压力屏蔽”效应，因此开发低弹性模量的金属材料成为防止“应力屏蔽”现象的重要研究热点。许多低杨氏模量的金属材料被开发为硬组织植入物。Tr
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Zr
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Al
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V（TZAV）系列钛锆基合金具有低密度、高强度、超高比强度和强塑积。除了这些优异的性能外，最近的研究证明TZAV系列合金也具有较低的弹性模量。在该系列合金中，Ti
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30Zr
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5Al
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3V（TZAV
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30）合金的杨氏模量达到34 GPa，非常接近生物骨（10~30 GPa）。TZAV
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30合金的低模量表明其有作为硬组织植入材料的巨大应用潜力。
[0003]作为硬组织特别是活动关节的植入材料，在实际应用之前，需要研究和改进其表面性能，如表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性等，以满足生物材料长期安全使用的要求。研究表明：如果作为医用植入材料使用，TZAV系列合金的硬度、摩擦学性能和耐腐蚀性需要进一步的提升。资料表明，复合涂层能够很好的改善表面性能。但是，目前复合涂层主要有分层和掺杂两种结构。虽然能够结合多种不同性质涂层的优势，提升植入材料的综合性能，但仍存在缺陷与不足。比如，分层结构的复合涂层，由于内涂层被外涂层覆盖，内涂层的优良性能很难得到充分发挥；具有生物活性的外涂层（如HA）又由于耐磨性不佳会被磨损。而掺杂结构的复合涂层，由于耐磨掺杂物并未与基体结合，仅仅镶嵌在耐磨性不是很好的涂层中（如HA涂层中）。在长期体内应用过程中，可能会由于涂层的磨损，使得掺杂物脱落于体内而产生副作用。因此，开发既保持甚至提升目前复合涂层综合性能，又能弥补其不足的新型复合涂层，对促进钛锆基合金作为植入材料的实际应用具有重要的理论意义和重大实际价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术是以钛锆基合金为对象，通过设计和结合多种表面改性技术，结合磁控溅射、电解刻蚀和阳极氧化制备获得一种微纳嵌套复合涂层的制备方法。
[0005]专利技术目的本专利技术的目的在于提供一种钛锆基合金微纳嵌套复合涂层及其制备方法。通过结合磁控溅射制备纯钛膜、电解刻蚀得到深孔以及阳极氧化在深孔中制备氧化钛纳米管，获得氧化钛纳米管嵌套于纯钛层的嵌套复合涂层。该涂层能够显著提升钛锆基合金作为医用植入材料的表面性能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术的技术方案之一：一种钛锆基合金微纳嵌套复合涂层的制备方法，包括以下步骤：将钛锆基合金作为基材通过磁控溅射技术得到具有纯钛膜的钛锆基合金，将所述
具有纯钛膜的钛锆基合金进行电解刻蚀处理在纯钛膜电解刻蚀出深孔，然后将上述试样进行阳极氧化处理在深孔中得到氧化钛纳米管，形成氧化钛纳米管嵌套于纯钛膜中的嵌套复合涂层。
[0007]进一步地，所述钛锆基合金为TZAV
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30合金。
[0008]进一步地，所述钛锆基合金在磁控溅射镀膜前进行预处理，其工艺为：采用线切割将块状钛锆基合金切割成直径30 mm厚度3 mm的圆形基片，随后用先粗后细的水砂纸依次研磨后进行抛光处理。磨抛完成后用蒸馏水冲洗，随后使用丙酮和无水乙醇进行超声波清洗，自然风干备用。
[0009]进一步地，所述钛锆基合金的磁控溅射主要工艺为：预处理好的钛锆基合金作为基材试样，纯钛（99.99 at%）作为靶材，抽真空后充入高纯氩气（Ar）并保持工作压力为0.3Pa，设置靶功率为150 W，温度为100 ℃，将纯Ti溅射并沉积到钛锆基合金基板上，持续溅射沉积时间为3小时，得到一定厚度的纯钛镀层。
[0010]进一步地，所述钛锆基合金的电解刻蚀主要工艺为：将上述镀层后的钛锆基合金作为阳极，大块不锈钢为阴极，两极距离2 cm，电解液为0.5 mol/L的NaBr溶液，刻蚀时间为10 min，电流密度分别为500 mA/cm2，刻蚀过程在10 ℃下进行并进行磁力搅拌，获得具有较深的刻蚀孔。
[0011]进一步地，所述钛锆基合金的阳极氧化主要工艺为：以刻蚀后的钛锆基合金为阳极，石墨棒为阴极，在0.3wt.%NH4F、2vol%水的乙二醇溶液中进行。电压为20~60V，反应时间为3小时同时进行磁力搅拌。反应完成后蒸馏水冲洗并烘干，随后在气氛管式炉进行退火处理，通入氩气，以2 ℃每分钟的速度升温至450 ℃后，保温2h，随后自然冷却至室温取出，获得本专利技术的表面微纳嵌套复合涂层。
[0012]本专利技术的技术方案之二：一种钛锆基合金表面微纳嵌套复合涂层。
[0013]本专利技术的技术方案之三：一种钛锆基合金表面微纳嵌套复合涂层能够显著高表面硬度，同时大幅度提升合金在模拟体液中的耐磨性和耐腐蚀性能。
[0014]本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术制备过程需要的实验条件方便，通过磁控溅射、电解刻蚀和阳极氧化，获得理想的表面微纳嵌套复合涂层。本专利技术制备的复合涂层能够显著提高合金的表面硬度，大幅度提升合金在模拟体液中的耐磨性和耐腐蚀性能，而且本专利技术制备的复合层与基体结合力较好。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1为本专利技术的嵌套突出机器制备流程示意图。
[0017]图2为本专利技术实施例1~3制备得到的微纳嵌套复合涂层的XRD图谱。
[0018]图3为本专利技术实施例1~3制备得到的微纳嵌套复合涂层的表面形貌图（a）实例1，（b）实例2，（c）实例3。
[0019]图4为本专利技术实施例1~3制备得到的微纳嵌套复合涂层的表面硬度。
[0020]图5为本专利技术实施例1~3制备得到的微纳嵌套复合涂层的摩擦磨损性能。
[0021]图6为本专利技术实施例1~3制备得到的微纳嵌套复合涂层的耐腐蚀性能（a）极化曲线，（b）腐蚀电流密度和腐蚀电压。
具体实施方式
[0022]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。
[0023]实施实例1。
[0024]一种钛锆基合金表面微纳嵌套复合涂层及其制备方法。
[0025]（1）表面预处理：采用线切割将块状TZAV
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30钛锆基合金切割成直径30 mm厚度3 mm的圆形基片，随后采用400#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#的WC砂纸依次研本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛锆基合金表面微纳嵌套层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将钛锆基合金表面清洁处理后通过磁控溅射技术在表面形成纯钛膜层，然后通过电解刻蚀将纯钛层刻蚀出深孔，最后将通过阳极氧化在深孔位置得到氧化钛纳米管，形成氧化钛纳米管和纯钛的微纳嵌套复合涂层。2.根据权利要求1所述的钛锆基合金表面微纳嵌套层的制备方法，其特征在于，所述钛合金选用具有地弹性模量的TZAV
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30钛锆基合金。3.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁顺星，尹丽霞，刘晓艳，石银冬，郑立允，邢振国，刘凯洋，周溢鑫，
申请(专利权)人：河北工程大学，
类型：发明
国别省市：