一种N和Ta离子注入钛合金改性涂层及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于生物植入材料技术领域，特别涉及一种N和Ta离子注入钛合金改性涂层及其制备方法与应用。本发明专利技术在钛合金表面进行N离子注入和Ta离子注入，然后在完成离子注入后的钛合金表面进行磁控溅射Ta，最终得到钛合金改性涂层。所得涂层具有良好的机械性能，并且与基体具有优异的结合力。具有优异的结合力。

【技术实现步骤摘要】
一种N和Ta离子注入钛合金改性涂层及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于生物植入材料
，特别涉及一种N和Ta离子注入钛合金改性涂层及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]目前，在钛合金表面制备减摩耐磨涂层是解决钛合金耐磨性差的最有效方法之一。减摩耐磨涂层一般是指摩擦系数低、磨损量小的摩擦涂层。通过改变其微观结构或在表面生成金属化合物和陶瓷来增强摩擦副耐磨性的能够减少或控制摩擦和磨损，如离子注入、激光熔覆、激光喷丸、表面氮化、微弧氧化等。但传统的单一结构涂层在体内环境存在局限性。因此不同表面复合改性技术制备的多相、多层次、多尺度混合增强涂层，可以充分发挥涂层中不同相之间的协同、耦合和多功能响应机制。
[0003]离子注入技术中加速的离子被引导到目标材料的表面，但离子注入在材料表面的穿透深度一般只有100～500nm。涂层太薄改性层会完全损坏。另外在磨损过程中摩擦副与基体直接接触，磨损的改性层产生的硬质颗粒会加剧基体的磨损，从而导致涂层失效。并且基材与涂层的结合力也会影响涂层的保护性能。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种N和Ta离子注入钛合金改性涂层的制备方法。
[0005]本专利技术另一目的在于提供上述方法制得的N和Ta离子注入钛合金改性涂层。
[0006]本专利技术再一目的在于提供所述N和Ta离子注入钛合金改性涂层在制备减摩耐磨材料中的应用。
[0007]本专利技术的目的通过下述方案实现：r/>[0008]一种N和Ta离子注入钛合金改性涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0009]在钛合金表面进行N离子注入和Ta离子注入，然后在完成离子注入后的钛合金表面进行磁控溅射Ta，最终得到钛合金改性涂层。
[0010]所述钛合金为Ti6Al4V、Ti、Ti
‑
2Al
‑
2.5Zr或Ti
‑
5Al
‑
2.5Sn。
[0011]注入前对钛合金进行表面去油处理。
[0012]所述N离子注入时的真空压力为2
×
10
‑4～5
×
10
‑4Pa，电压为50～80Kv，注入计量为2
×
10
17
～8
×
10
17
ion/cm2。优选地，真空压力为5
×
10
‑4Pa，电压为60Kv，注入计量为5
×
10
17
ion/cm2。
[0013]所述Ta离子注入时的真空压力为2
×
10
‑4～5
×
10
‑4Pa，电压为40～70Kv，注入计量为2
×
10
17
～8
×
10
17
ion/cm2。优选地，真空压力为5
×
10
‑4Pa，电压为50Kv，注入计量为5
×
10
17
ion/cm2。
[0014]磁控溅射Ta的具体操作为用纯Ta靶材，将真空腔体抽至5
×
10
‑4Pa，并加热腔室温度至200
‑
400℃，电源功率为1800
‑
2000W，磁控溅射的同时通入氩气。磁控溅射时间2
‑
6h。
[0015]一种N和Ta离子注入钛合金改性涂层，通过上述方法制备得到。
[0016]所述N和Ta离子注入钛合金改性涂层在制备减摩耐磨材料中的应用。
[0017]本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
[0018]通过离子注入在钛合金表面先形成了TaN层，N和Ta同时注入可以形成TaN0.1的相，TaN0.1有利于提高与基材的结合能力。
[0019]在离子注入后的涂层上进行磁控溅射，所制备涂层中包含2种Ta的相结构。一般磁控溅射初期，温度较低时会生成β
‑
Ta，导致涂层硬而脆。β
‑
Ta晶格常数与基材的匹配度是较差的，容易造成界面结合较弱，涂层剥落。但β
‑
Ta属于亚稳相，离子注入时形成TaN0.1不稳定相，在磁控溅射高温过程中，使离子注入涂层中少量的N渗出，N渗出量比较少，不至于氮化磁控溅射的涂层，但可以确保β
‑
Ta相减少，生成的α
‑
Ta相增多，提高涂层韧性，提高Ta涂层的硬度。
[0020]同时，N可以使Ta原子的溅射逸出功增大，从而进一步导致运动到基体表面的吸附Ta原子活动能力降低，形核率提高，促使晶粒细化，进一步增加涂层强度。
具体实施方式
[0021]下面结合实施例对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0022]实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。
[0023]实施例1
[0024]一种N和Ta离子注入钛合金表面耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0025](1)对Ti6Al4V合金表面打磨抛光，随后在乙醇中超声清洗，烘干备用。
[0026](2)先进行N离子注入，真空压力为4
×
10
‑4Pa，电压为60Kv，注入剂量为5
×
10
17
ion/cm2。随后离子注入Ta元素，真空压力为4
×
10
‑4Pa，电压为50Kv，注入剂量为5
×
10
17
ion/cm2。离子注入Ta时，将氩气(Ar)以6sccm(标准立方厘米每分钟)的流速引入阴极电弧源。
[0027](3)磁控溅射Ta
[0028]磁控溅射Ta的具体操作为用纯Ta靶材，将真空腔体抽至5
×
10
‑4Pa，并加热腔室温度至400℃，电源功率为2000W，磁控溅射的同时通入氩气，磁控溅射时间4h。
[0029]对比例1
[0030]本对比例与实施例1的区别在于，仅进行N离子注入。
[0031]对比例2
[0032]本对比例与实施例1的区别在于，仅进行N离子注入和Ta离子注入。
[0033]对比例3
[0034]本对比例与实施例1的区别在于，仅进行磁控溅射Ta。
[0035]对比例4
[0036]本对比例与实施例1的区别在于，仅进行N离子注入和磁控溅射Ta。
[0037][0038]上述实施例为本专利技术较佳的实施方式，但本专利技术的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本专利技术的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本专利技术的保护范围之内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种N和Ta离子注入钛合金改性涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：在钛合金表面进行N离子注入和Ta离子注入，然后在完成离子注入后的钛合金表面进行磁控溅射Ta，最终得到钛合金改性涂层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述N离子注入时的真空压力为2
×
10
‑4～5
×
10
‑4Pa，电压为50～80Kv，注入计量为2
×
10
17
～8
×
10
17
ion/cm2。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述N离子注入时的真空压力为5
×
10
‑4Pa，电压为60Kv，注入计量为5
×
10
17
ion/cm2。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述Ta离子注入时的真空压力为2
×
10
‑4～5
×
10
‑4Pa，电压为40～70Kv，注入计量为2
×
10
17
～8
×
1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏，曹琳，王启伟，李杰，林怀俊，李卫，
申请(专利权)人：暨南大学韶关研究院，
类型：发明
国别省市：