一种医用钛锆基合金的梯度结构CHA涂层及其制备技术制造技术

本发明专利技术公开了一种在医学植入材料用的TZ30钛锆基合金表面制备梯度结构CHA涂层及其复合电化学制备技术，属于合金表面处理技术领域。本发明专利技术通过复合电化学技术在医用TZ30钛锆基合金表面获得梯度CHA涂层。其核心工艺为电化学刻蚀和电化学沉积的复合电化学技术。本发明专利技术具有工艺简单、安全且环境友好，所得的TZ30钛锆基合金表面梯度结构CHA涂层具有在模拟体液中耐腐蚀性能好的特征。对促进其临床应用具有重要实际价值。有重要实际价值。有重要实际价值。

【技术实现步骤摘要】
一种医用钛锆基合金的梯度结构CHA涂层及其制备技术


[0001]本专利技术涉及医学植入用低弹模钛锆基合金表面处理领域，具体来说，是涉及一种钛锆基合金表面梯度结构CHA涂层及其复合电化学制备技术。

技术介绍

[0002]Ti
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30Zr
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5Al
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3V（TZ30）钛锆基合金具有低密度、高强度、超高比强度和强塑性协同效应。还具有34 GPa的超低的弹性模量。因此，TZ30合金具有作为医学硬组织植入生物材料的巨大应用潜力。然而，TZ30合金含有铝和钒，这对人类和动物是有害的。此外，TZ30合金的硬度、体液中的耐腐蚀性和生物相容性有待改善，在作为植入物应用之前需要进行系统研究。羟基磷灰石（HA）涂层可以防止有毒离子释放到体内，提高表面硬度，增加体液环境中的耐腐蚀性，并改善生物相容性。HA引起了广泛关注，并已在骨科和牙科临床应用。碳酸化羟基磷灰石（CHA）涂层的生物相容性比HA更好。因此，CHA涂层对于硬组织植入生物材料的表面改性更有利。
[0003]研究表面金属材料表面的微观形态有助于增强机械结合，促进成骨细胞的粘附和分化，改变蛋白质的构象，提高骨整合率。此外，具有微纳米结构的表面有助于提高涂层
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基底的附着力和生物相容性。因此，在TZ30合金的微纳结构表面沉积CHA膜，有利于薄膜与基体的附着力和表面性能。
[0004]电化学技术是金属材料表面改性的重要的常用技术。电化学技术通常使用矿物酸或中性溶液作为电解液。在少数情况下，采用了弱配位缓冲溶液。作为电极的试样将在恒电位、恒电流或循环电位下极化。之后，试样表面将根据工艺条件进行氧化、还原、分解、沉积或清洁获得预期性能的表面涂层。其中电化学沉积技术（ECD）是一种经济高效且非设备密集型的金属表面改性技术。它简单、快速、廉价，是沉积各种涂层最有效的技术之一。在电场的作用下，ECD可用于在复杂形状的基底、浸渍多孔基底和/或基底的某些特定区域上沉积均匀的涂层。此外，涂层的厚度、成分和均匀性可以严格控制。

技术实现思路

[0005]为了获得医学植入用低弹模钛锆基合金Ti
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30Zr
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5Al
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3V（TZ30）的表面梯度结构CHA涂层，防止有毒离子释放到体内，提高表面硬度，增加体液环境中的耐腐蚀性，并改善生物相容性，本专利技术的目的是提供一种TZ30钛锆基合金表面梯度结构CHA涂层及其简单、快速、廉价的复合电化学制备技术。
[0006]本专利技术的目的是通过如下方案实现的：一种TZ30钛锆基合金表面梯度结构CHA涂层及其复合电化学制备技术，其特征在于它包括如下步骤：（1）切割；（2）清洗及干燥；（3）电化学刻蚀；（4）电化学沉积；（5）碱热处理；（6）清洗及干燥。
[0007]所述的TZ30钛锆基合金表面梯度结构CHA涂层的复合电化学制备技术，其特征在于：步骤（1）的切割工序是采用线切割将TZ30合金切割成10mm
×
10mm
×
2mm的方形试样。
[0008]所述的TZ30钛锆基合金表面梯度结构CHA涂层的复合电化学制备技术，其特征在于：步骤（2）的清洗工序是采用流水清洗、然后先后在无水乙醇和丙酮中超声波清洗10分钟，吹风机冷风吹干。
[0009]所述的TZ30钛锆基合金表面梯度结构CHA涂层的复合电化学制备技术，其特征在于：步骤（3）的电化学刻蚀工序是在0.5 mol/L NaBr溶液中，外加电流密度为500 mA/cm2，电解液的温度保持在10℃，持续刻蚀5分钟。
[0010]所述的TZ30钛锆基合金表面梯度结构CHA涂层的复合电化学制备技术，其特征在于：步骤（4）的电化学沉积工序是在组成为0.042 mol/L Ca(NO3)2、0.025 mol/L (NH4)2HPO4和0.1 mol/L NaCl的电解液中进行。使用NH3•
H2O和HNO3将pH值调节至4.4。蚀刻后的TZ30试样做阴极，铂板做阳极。使用了3 V的恒定电压，电解液温度保持90℃。沉积时间为30 ~ 120分钟。
[0011]所述的TZ30钛锆基合金表面梯度结构CHA涂层的复合电化学制备技术，其特征在于：步骤（5）的碱热处理工序是在ECD处理后试样在80℃的1 mol/L的NaOH溶液中进行2小时的碱热处理。
[0012]所述的TZ30钛锆基合金表面梯度结构CHA涂层的复合电化学制备技术，其特征在于：步骤（6）的清洗工序是采用流水清洗、然后先后在无水乙醇和丙酮中超声波清洗10分钟，吹风机冷风吹干。
[0013]分别采用XRD，FTIR和SEM测试涂层的相结构和微观组织。根据VDI 3198方法，采用洛氏压痕试验评估涂层
‑
基底的结合情况。通过动电位极化曲线测量评估了模拟体液中的腐蚀行为。使用TZ30试样（带或不带涂层）作为工作电极。饱和甘汞电极（SCE）和铂片分别用作参比电极和对电极。腐蚀环境是Ringer模拟体液。模拟体液的成分在1000 mL去离子水中保持8.5 g NaCl + 0.5 g KCl + 0.5 g CaCl2‑
2H2O。pH值保持在7.2。在阳极方向以1mV/s的扫描速率测量了
‑
1.0至1.0V（vs SCE）的动电位极化曲线。用Tafel方法从动电位极化曲线中获得试样的腐蚀电位（E
corr
）和腐蚀电流密度（i
corr
），用于评估试样在模拟体液中的耐腐蚀性。
附图说明
[0014]图1为本专利技术实施例1~3制备得到的CHA涂层的（a）XRD和（b）FTIR图谱。
[0015]图2为本专利技术实施例1~3制备得到的CHA涂层的微观形貌图（a） 实例1，（b）实例2，（c）实例3，及它们的放大图（d）到（f）。
[0016]图3为本专利技术实施例1~3制备得到的CHA涂层的结合力测试结果（a）结合力标准形貌，（b）实例1，（c）实例2，（d）实例3。
[0017]图4本专利技术实施例1~3制备得到的CHA涂层的模拟体液中的耐蚀性结果（a）动电位极化曲线，（b）不同试样的耐腐蚀参数变化。
具体实施方式
[0018]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。
[0019]实施实例1：
采用线切割将TZ30合金切割成10mm
×
10mm
×
2mm的方形试样。采用流水清洗、然后先后在无水乙醇和丙酮中超声波清洗10分钟，吹风机冷风吹干。在0.5 mol/L NaBr溶液中，外加电流密度为500 mA/cm2，温度为10℃的电解液中进行电化学刻蚀，持续刻蚀5分钟。然后进行电化学沉积工序。在组成为0.042 mol/L Ca(NO3)2、0.025 mol/L (NH4)2HPO4和0.1 mol/L NaCl的电解质中进行电化学沉积。使用NH本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种医学植入材料用TZ30钛锆基合金表面梯度结构CHA涂层及其制备方法，其特征在于它包括如下步骤：（1）切割；（2）清洗及干燥；（3）电化学刻蚀；（4）电化学沉积；（5）碱热处理；（6）清洗及干燥。2.根据权利要求1所述的医学植入材料用TZ30钛锆基合金表面梯度结构CHA涂层及其制备方法，其特征在于：所述钛锆基合金通过电化学刻蚀技术获得表面微纳结构，其主要电化学刻蚀参数为：0.5 mol/L NaBr溶液中，外加电流密度为500 mA/cm2，电解液的温度保持在10℃，持续刻蚀5分钟。3.根据权利要求1所述的医学植入材料用TZ30钛锆基合金表面梯度结构CHA涂层及其制备方法，其特征在于：所述钛锆基合金通过电化学沉积技术获得表面梯度CHA涂层，其主要电化学沉积参数为：电解液组成未0.042 mol/L Ca(NO3)2、0.025 mol/L (NH4)2HPO4和0.1 mol/L NaCl，电解...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁顺星，尹丽霞，石银冬，谢海龙，黄光伟，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：