一种具有自润滑功能的TiN/GO复合陶瓷涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有自润滑功能的TiN/GO复合陶瓷涂层，该TiN/GO复合陶瓷涂层位于TC4基材的表面，TiN/GO复合陶瓷涂层是由质量含量为95～99wt.％TiN和质量含量为1～5wt.％GO组成的混合粉末制备而成。其制备方法：将TiN和GO混合粉末进行预处理；将预处理后的TiN和GO混合粉末制备成预置粉末浆料；采用宽带激光熔覆工艺，将预置粉末浆料熔覆在经过预处理的TC4基材表面，在TC4基材表面形成TiN/GO复合陶瓷涂层。本发明专利技术的TiN/GO复合陶瓷涂层中具有良好的耐磨减摩性能，降低磨损体系的摩擦损耗。降低磨损体系的摩擦损耗。降低磨损体系的摩擦损耗。

【技术实现步骤摘要】
一种具有自润滑功能的TiN/GO复合陶瓷涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于钛合金改性领域，尤其涉及一种具有自润滑功能的TiN/GO复合陶瓷涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]TC4合金耐磨性能差，易导致钛合金人工关节的股骨头处对磨副产生严重磨损，引发骨溶解和无菌松动，这已成为制约其长期健康使用的关键问题。需对其进行表面改性和修饰，改善其耐磨能力。氮化钛(TiN)属于陶瓷，拥有良好的生物相容性、耐腐蚀性能和耐磨性能，是一种良好的人体植入材料。大量研究证明，经TiN表面涂层改性的钛合金，其在拥有钛合金良好的机械性能的同时，还能在摩擦界面表现出优异的耐磨性能。因此，运用表面改性技术对钛合金表面改性，以获得具备良好耐磨性能陶瓷涂层，是减少钛合金表面磨损的有效方法。
[0003]然而，TiN其过硬的特性和较大的摩擦系数，将会使得股骨头界面的对磨物(髋臼杯内衬)剧烈磨损产生更多磨屑，进而形成骨溶解和无菌松动，这些问题将损害宿主健康，将使得TiN陶瓷涂层作为人体植入物受到限制。因此，在人工关节股骨头界面制备自润滑陶瓷涂层，降低关节对磨副的摩擦系数以及磨屑的生成，实现人工关节的长期健康稳定使用，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种TiN/GO复合陶瓷涂层及其制备方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0006]一种TiN/GO复合陶瓷涂层，所述TiN/GO复合陶瓷涂层位于TC4基材的表面，所述TiN/GO复合陶瓷涂层是由质量含量为95
–
99wt.％TiN和质量含量为1
‑
5wt.％GO组成的混合粉末制备而成。
[0007]上述的TiN/GO复合陶瓷涂层，优选的，所述TiN/GO复合陶瓷涂层是利用宽带激光熔覆技术熔覆在TC4基材的表面。
[0008]上述的TiN/GO复合陶瓷涂层，优选的，所述TiN/GO复合陶瓷涂层中主要含有TiN、GO、Ti3Al、α
‑
Ti、TiCN和TiV。TC4基材与粉末一起熔融发生化学反应，Ti、Al和V元素发生反应，形成了AlTi3和TiV相，涂层形成良好的冶金结合。
[0009]上述的TiN/GO复合陶瓷涂层，优选的，所述TiN/GO复合陶瓷涂层的厚度为200
‑
300μm。
[0010]作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种上述的TiN/GO复合陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0011](1)将TiN和GO混合粉末进行预处理；
[0012](2)将预处理后的TiN和GO混合粉末制备成预置粉末浆料；
[0013](3)采用宽带激光熔覆工艺，将预置粉末层浆料熔覆在经过预处理的TC4基材表面，在TC4基材表面形成TiN/GO复合陶瓷涂层。
[0014]上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，TiN和GO混合粉末中TiN粉末粒径为1
‑
10μm，纯度大于99.9％，GO粉末厚度1
‑
10nm，纯度大于99.9％。
[0015]上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，TiN和GO混合粉末进行预处理的具体过程为：先分别对TiN粉末和GO粉末进行干燥处理，然后将干燥的TiN粉末和GO粉末进行球磨混合12
‑
24h，然后将球磨混合后的粉料加入无水乙醇中，进行超声处理10
‑
30min，最后置于50
‑
100℃真空干燥箱中烘干12
‑
24h。
[0016]上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，预置粉末浆料的具体制备过程为：将预处理后的TiN和GO混合粉末添加到1
‑
3wt.％浓度的聚乙烯醇水溶液中，搅拌约5
‑
10min后，超声分散5
‑
10min，得到预置粉末浆料，所述预置粉末浆料的浓度为0.3
‑
0.5g/mL。
[0017]上述的制备方法，优选的，步骤(3)中，宽带激光熔覆工艺的工艺参数包括：激光功率为1500
‑
2100W，激光扫描速度为150
‑
210mm
·
min
‑1，光斑尺寸的长度为15
‑
20mm，宽度为1
‑
3mm，保护气氩气流量5
‑
15L
·
min
‑1。
[0018]上述的制备方法，优选的，步骤(3)中，TC4基材的预处理过程包括将TC4基材置于去离子水和乙醇的混合液中，超声清洗20
‑
30min后，然后在50
‑
100℃真空干燥机中干燥12
‑
24h。
[0019]氧化石墨烯不具备生物毒性且在广温域表现具有良好润滑性能，本专利技术通过引入GO粉末，利用宽带激光熔覆工艺，能够进一步改善TiN涂层的耐磨性能并且降低TiN涂层摩擦系数，有利于降低关节对磨副的摩擦系数以及磨屑的生成，达到实现人工关节的长期健康稳定使用的目标。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0021](1)本专利技术的TiN/GO复合陶瓷涂层中，通过引入TiN粉末，利用TiN的耐磨性能，使用宽带激光熔覆工艺，熔覆在TC4表面，可以保证涂层的耐磨性能；再结合GO粉末，利用GO的低摩擦性能，使用宽带激光熔覆工艺，与TiN共同熔覆在TC4表面，可以降低涂层摩擦系数，两者协同配合，进而保证复合陶瓷涂层具有良好的耐磨减摩性能，降低磨损体系的摩擦损耗。
[0022](2)本专利技术的TiN/GO复合陶瓷涂层，适合应用在人工钛合金关节上，避免人工关节过度磨损产生大量磨屑，引发骨溶解和无菌松动。
[0023](3)本专利技术的TiN/GO复合陶瓷涂层采用宽带激光熔覆工艺制备，容易实行，可靠性好，维护简单，通用性好，生产成本低，便于规模化生产，并且相较圆光斑工艺有着更高的加工效率、更好的涂层质量和结合性能。
附图说明
[0024]图1为本专利技术的TiN/GO复合陶瓷涂层示意图。
[0025]图2为本专利技术实施例1制备的TiN/GO复合陶瓷涂层实物照片。
[0026]图3为X射线衍射仪测试的本专利技术实施例制备的TiN/GO复合陶瓷涂层以及对比例制备的TiN陶瓷涂层的XRD图谱。
[0027]图4为SEM电子显微镜观察到的本专利技术实施例制备的TiN/GO复合陶瓷涂层和对比
例制备的TiN陶瓷涂层的截面显微形貌，图中a、b、c、d分别为对比例1、实施例1、实施例2和实施例3制备的陶瓷涂层的截面显微形貌。
[0028]图5为SEM电子显微镜观察到的本专利技术实施例1制备的TiN/GO复合陶瓷涂层的截面局部显微形貌。
[0029]图6为X射线能谱仪测试的本专利技术实施例1制备的TiN/GO复合陶瓷涂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有自润滑功能的TiN/GO复合陶瓷涂层，其特征在于，所述TiN/GO复合陶瓷涂层位于TC4基材的表面，所述TiN/GO复合陶瓷涂层是由质量含量为95～99wt.％TiN和质量含量为1～5wt.％GO组成的混合粉末制备而成。2.如权利要求1所述的TiN/GO复合陶瓷涂层，其特征在于，所述TiN/GO复合陶瓷涂层是利用宽带激光熔覆技术熔覆在TC4基材的表面。3.如权利要求1所述的TiN/GO复合陶瓷涂层，其特征在于，所述TiN/GO复合陶瓷涂层中主要含有TiN、GO、Ti3Al、α
‑
Ti、TiCN和TiV。4.如权利要求1所述的TiN/GO复合陶瓷涂层，其特征在于，所述TiN/GO复合陶瓷涂层的厚度为200
‑
300μm。5.一种如权利要求1～4中任一项所述的TiN/GO复合陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将TiN和GO混合粉末进行预处理；(2)将预处理后的TiN和GO混合粉末制备成预置粉末浆料；(3)采用宽带激光熔覆工艺，将预置粉末浆料熔覆在经过预处理的TC4基材表面，在TC4基材表面形成TiN/GO复合陶瓷涂层。6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，TiN和GO混合粉末中TiN粉末粒径为1
‑
10μm，纯度大于99.9％，GO粉末厚度为1
‑
10nm，纯度大于99.9％。7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，TiN和GO混合粉末进行预处理的具体过程为：先分别对TiN粉末和GO粉末进行干燥处理，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘德福，刘鉴，邓子鑫，李春叶，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：