CN100560143C - 一种利用冷喷涂和真空烧结制备多孔钛涂层的复合工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用冷喷涂和真空烧结制备多孔钛涂层的复合工艺，以喷砂粗化过的钛或钛合金为基材，采用冷喷涂方法将钛-镁混合粉末喷涂基材上，制备钛-镁复合涂层，然后在高真空、高温下蒸馏烧结处理，得到多孔钛涂层。所制备的多孔钛涂层：涂层无氧化、厚度大于0.5mm、呈开孔连通结构，孔径和孔隙率分别在30μm～200μm、30%～65%之间且独立可调，孔隙均匀性好，该涂层与基体之间呈冶金结合，结合强度高于60MPa，弹性模量依据涂层孔隙结构在30～50GPa之间可调。可用于制造表层为多孔钛的承力硬组织种植体，如人工关节、人工骨骼、齿根等，该多孔钛涂层结构适宜骨组织长入，可改善种植体和宿主骨界面的长期稳定性，同时缓解因弹性模量不匹配导致的种植体松动。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛基医用种植体表面如钛和钛合金牙种植体及骨植入体)的制备工艺，特别是一种利用冷喷涂和真空烧结制备多孔钛涂层的复合工艺。
背景技术
钛及其合金以其优良的生物相容性、耐腐蚀性以及高的比强度被广泛用于制作坏损硬组织的修复与替换种植体。但是，钛基种植体与宿主骨的界面长期稳定性差，以及因弹性模量不匹配引发的种植体松动是临床应用面临的两个主要问题。解决上述问题的方法是在钛基种植体复合多孔钛厚涂层。多孔钛涂层的弹性模量可以通过调整孔隙率达到与宿主骨相匹配；同时开孔连通的多孔结构，允许新骨组织长入，有利于新骨组织和植入体之间形成机械结合，增强种植体和宿主骨界面的长期稳定性。目前，已有的多孔钛涂层制备方法有：(1)堆垛烧结法，如对堆积在钛基体上的钛球、钛短纤维、钛网或TiH2进行烧结(美国专利US4206516)，但该方法制备的多孔涂层存在与基体结合强度低，钛球或短纤维易脱落等问题；(2)热喷涂法。1971年，美国专利US3605123报道了等离子喷涂TiH2制备了多孔钛涂层，但所获涂层的孔隙均匀性和连通性较差。1985年，美国专利US4542539用火焰喷涂制备了多孔钛梯度涂层，但涂层的结合强度低、仅有7MPa。日本kobesteel公司采用真空等离子喷涂制备出多孔钛涂层，其孔隙率为40～60％、弹性模量为4.7GPa、压缩强度为85MPa；SulzerCalcitek公司将真空等离子喷涂制备的多孔钛涂层成功地应用于牙种植体，并于1997获得FDA认证、进入市场；但是真空等离子喷涂设备昂贵，一般企业难以承受，另外此技术制备的多孔钛涂层存在孔隙均匀性和开孔连通性差等问题。中国专利99123708.0报道一种采用火焰或等离子喷涂“钛-铝”混合粉，然后碱液浸泡除去铝制备多孔钛涂层的方法，但涂层的结合强度是仅为25～45MPa，且存在工艺周期长和厚涂层制备困难等问题。
发明内容
针对上述现有技术操作的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种利用冷喷涂和真空烧结制备多孔钛涂层的复合工艺。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：
将粒度为100目～400目、形状为球形或多角形的镁粉作为造孔剂，与粒度为325目～400目、形状为球形或多角形的钛粉混和均匀，制备钛-镁混合粉末；其中镁粉所占体积含量为30％～80％；
将钛或钛合金基材经清洗、喷砂粗化后，采用冷喷涂的方法将钛-镁混合粉末喷涂于钛或钛合金基材表面制备钛-镁复合涂层，冷喷涂工艺参数为：送粉气体为N2或He，工作气体为N2或He，送粉气体压力和工作气体压力分别为1.5MPa～4.0MPa和1MPa～2.5MPa，喷涂距离为20mm～30mm，喷涂温度300℃～500℃；
对钛-镁复合涂层进行真空蒸馏烧结处理，真空蒸馏烧结工艺参数为：真空度高于5×10-2Pa，蒸馏烧结温度900℃～1400℃，蒸馏烧结时间1小时～6小时，即可在钛或钛合金基材表面形成冶金结合的多孔钛涂层。
采用本发明工艺制成的多孔钛涂层，无氧化、厚度大于0.5mm、呈开孔连通结构，孔径和孔隙率分别在30μm～200μm、30％～65％之间独立可调，孔隙均匀性好，该涂层与基体之间呈冶金结合，结合强度高于60MPa，弹性模量依据涂层孔隙结构在30～50GPa之间可调。
本发明的制造方法简单，生产周期短，对设备要求低。可用于制造表层为多孔钛的承力硬组织种植体(如人工关节、人工骨骼、齿根等)，该多孔表层结构适宜骨组织长入，可改善种植体和宿主骨界面的长期稳定性，同时缓解因弹性模量不匹配导致的种植体松动。
具体实施方式
以下结合发明人给出的具体实施例，对所发明的工艺作进一步的详细阐述。需要说明的是，这些实施例只是较佳的例子，本发明并不限于这些实施例，对于本领域的技术人员，在本发明给出的范畴内进行技术特征的添加和替换，均属于本发明的保护范围。
实施例1：将400目的球形镁粉与325目的多角钛粉混和均匀，制成钛-镁混合粉末，其中镁粉体积含量为75％。采用常规的喷涂方法将钛-镁混合粉末沉积到经喷砂粗化的钛基体上，制备钛-镁复合涂层。冷喷涂的工艺参数如下：以N2作为送粉气体和工作气体，送粉气体和工作气体压力分别为2.0和3.0MPa，喷涂距离20mm，喷涂温度330℃。
将所制备的钛-镁复合涂层在进行真空蒸馏烧结，真空度为1×10～3Pa，烧结温度1200℃，时间2小时，即可去除复合涂层中的镁，得到多孔钛涂层。同时蒸馏烧结能够增强复合涂层内聚强度和结合强度。
本实施例的多孔钛涂层，无氧化、涂层为开孔连通结构，大多数孔径在30μm～60μm之间，最大孔径130μm，孔隙率在20％～29％，该多孔钛涂层与基体之间呈冶金结合，结合强度高于60MPa，涂层弹性模量为47.3GPa。
实施例2：将325目的球形镁粉与325目的多角钛粉混和均匀，制成钛-镁混合粉末，其中镁粉体积含量为50％。采用常规的冷喷涂方法将钛-镁混合粉末沉积到经喷砂粗化的钛基体上，制备钛-镁复合涂层。冷喷涂的工艺参数如下：以N2作为送粉气体和工作气体，送粉气体和工作气体压力分别为2.5和3.2MPa，喷涂距离20mm，喷涂温度350℃。
将所制备的钛-镁复合涂层在进行真空蒸馏烧结，真空度为1×10～3Pa，烧结温度1200℃，时间2小时，即可去除复合涂层中的镁，得到多孔钛涂层。
本实施例的多孔钛涂层，无氧化、涂层为开孔连通结构，大多数孔径在30μm～80μm之间，最大孔径160μm，孔隙率在21％～29％，该多孔钛涂层与基体之间呈冶金结合，结合强度高于60MPa，涂层弹性模量为45.3GPa。
实施例3：将325目的球形镁粉与325目的多角钛粉混和均匀，制成钛-镁混合粉末，其中镁粉体积含量为75％。采用常规的冷喷涂方法将钛-镁混合粉末沉积到经喷砂粗化的Ti6Al4V基体上，制备钛-镁复合涂层。冷喷涂的工艺参数如下：以N2作为送粉气体和工作气体，送粉气体和工作气体压力分别为2.5MPa和3.2MPa，喷涂距离20mm，喷涂温度350℃。
将所制备的钛-镁复合涂层在进行真空蒸馏烧结，真空度为1×10～3Pa，烧结温度1250℃，时间2小时，即可去除复合涂层中的镁，得到多孔钛涂层。
本实施例制备的多孔钛涂层，无氧化、涂层为开孔连通结构，大多数孔径在30μm～90μm之间，孔隙率42.3％，该涂层与基体之间呈冶金结合，结合强度高于60MPa，涂层弹性模量为37.6GPa。
实施例4：将200目的球形镁粉与325目的多角钛粉混和均匀，制成钛-镁混合粉末，其中镁粉体积含量为75％。采用冷喷涂将钛-镁混合粉末沉积到经喷砂粗化的钛基体上，制备钛-镁复合涂层。冷喷涂的工艺参数如下：采用N2作为送粉气体，压力为1.5MPa，采用He作为工作气体，压力为1.0MPa，喷涂距离20mm，喷涂温度400℃。
将所制备的钛-镁复合涂层在进行真空蒸馏烧结，真空度为1×10～3Pa，烧结温度1250℃，时间2小时，即可去除复合涂层中的镁，得到多孔钛涂层。
本实施例制备的多孔钛涂层无氧化，涂层为开孔连通结构，大多数孔径在50μm～130μm之间，孔隙率50.5％，该涂层与基体之间呈冶金结合，结合强度高于60MPa，涂层弹性模量为36.3GPa。
实施例5：将100目的球形镁粉与325目的多角钛粉混和均匀，制成钛-镁混合粉末，其中镁粉体积含量为50％。采用常规的冷喷涂方法，将钛-镁混合粉末沉积到经喷砂粗化的钛基体上，制备钛-镁复合涂层。冷喷涂工艺参数如下：采用N2作为送粉气体，压力为1.6MPa，采用He作为工作气体，压力为1.0MPa，喷涂距离20mm，喷涂温度420℃。
将所制备的钛-镁复合涂层在进行真空蒸馏烧结，真空度为1×10～3Pa，烧结温度1200℃，时间2小时，即可去除复合涂层中的镁，得到多孔钛涂层。
本实施例制备的多孔钛涂层无氧化，涂层为开孔连通结构，大多数孔径在100～150μm之间，最大孔径250μm，孔隙率47.2％，该涂层与基体之间呈冶金结合，结合强度高于60MPa，涂层弹性模量为38.4GPa。
实施例6：将100目的球形镁粉与325目的多角钛粉混和均匀，制成钛-镁混合粉末，其中镁粉体积含量为75％。采用常规的冷喷涂将钛-镁混合粉末沉积到经喷砂粗化的钛基体上，制备钛-镁复合涂层。冷喷涂的工艺参数如下：采用N2作为送粉气体，压力为1.8MPa，采用He作为工作气体，压力为1.2MPa，喷涂距离20mm，喷涂温度420℃。
将所制备的钛-镁复合涂层在进行真空蒸馏烧结，真空度为1×10～3Pa，烧结温度1250℃，时间2小时，即可去除复合涂层中的镁，得到多孔钛涂层。
本实施例制备的多孔钛涂层无氧化，涂层为开孔连通结构，大多数孔径在100μm～170μm之间，最大孔径300μm，孔隙率61.4％，该涂层与基体之间呈冶金结合，结合强度高于60MPa，涂层弹性模量和弯曲强度分别为35.6GPa和375MPa。
综上所述，采用本发明的冷喷涂和真空烧结制备多孔钛涂层的复合工艺，所制备的多孔钛涂层，具有如下特点：涂层无氧化、厚度大于0.5mm、呈开孔连通结构，孔径和孔隙率分别在30μm～200μm、30％～65％之间且独立可调，孔隙均匀性好，该涂层与钛或钛合金基体之间呈冶金结合，结合强度高于60MPa，弹性模量依据涂层孔隙结构在30GPa～50GPa之间可调。
Claims (1)
1.一种利用冷喷涂和真空烧结制备多孔钛涂层的复合工艺，其特征在于，按照下列步骤进行：
将粒度为100目～400目、形状为球形或多角形的镁粉作为造孔剂，与粒度为325目～400目、形状为球形或多角形的钛粉混和均匀，制备钛-镁混合粉末；其中镁粉所占体积含量为30％～80％；
将钛或钛合金基材经清洗、喷砂粗化后，采用冷喷涂的方法将钛-镁混合粉末喷涂于钛或钛合金基材表面制备钛-镁复合涂层，冷喷涂工艺参数为：送粉气体为N2或He，工作气体为N2或He，送粉气体压力和工作气体压力分别为1.5MPa～4.0MPa和1MPa～2.5MPa，喷涂距离为20mm～30mm，喷涂温度300℃～500℃；
对钛-镁复合涂层进行真空蒸馏烧结处理，真空蒸馏烧结工艺参数为：真空度高于5×10-2Pa，蒸馏烧结温度900℃～1400℃，蒸馏烧结时间1小时～6小时，即可在钛或钛合金基材表面形成冶金结合的多孔钛涂层；多孔钛涂层厚度大于0.5mm，呈开孔连通结构，孔径和孔隙率分别在30μm～200μm、30％～65％之间独立可调；多孔钛涂层与基体之间结合强度高于60MPa，多孔钛涂层的弹性模量依据涂层孔隙结构在30GPa～50GPa之间可调。
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