CN102191481B - 表面带有Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种带有表面Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金的制备方法。(1)对镁合金基材进行前处理；(2)在前处理后的镁合金基材表面利用离子束辅助气相沉积制备一层致密Mg薄膜；(3)在制备好的Mg薄膜表面利用离子束辅助气相沉积制备Mg-Hf梯度涂层；(4)在制备好的Mg-Hf梯度涂层表面利用离子束辅助气相沉积制备Hf-N梯度涂层；(5)在制备好的Hf-N梯度涂层表面利用离子束辅助气相沉积制备Hf-Si-N梯度涂层。本发明选用的镁合金是目前正在广泛研究的潜在的生物医用材料，通过离子束辅助气相沉积(IBAD)方法在医用镁合金表面制备Hf-Si-N薄膜，以提高其耐腐蚀、耐磨损性能，并进一步提高其生物相容性。

Description

表面带有Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种医用镁合金，本发明也涉及一种医用镁合金的表面处理方法。具体地说是一种表面带有Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金及在医用镁合金表面形成Hf-Si-N梯度涂层的方法。
背景技术
硬质涂层是进行材料表面强化、发挥材料潜力提高生产效率的有效途径，例如：TiN、TiCN、金刚石等都是硬度高、性能好的涂层。研究发现，氮化钛(TiN)属立方晶系，结构致密，具有高硬度、高耐腐蚀性、耐高温等优良特性。在人造血浆测试环境中Ti/TiN涂层能减少其腐蚀电流50％。
有研究者发现TiN镀层中Si的加入能够在薄膜中形成第二相，阻止TiN柱状晶的长大，柱状晶逐渐转变为等轴晶，晶粒得到了明显的细化，薄膜的致密度也获得了提高，使薄膜形成两相或多相混合结构。这种结构不但可以有效的阻塞电解质溶液渗入到基体的通道，而且可以减小金属小颗粒或针孔对薄膜造成的不良影响。从而提高薄膜的耐腐蚀性能。而且薄膜中Si的含量对薄膜的硬度、腐蚀及其它性能具有决定性的意义。随着Si含量的升高，腐蚀电位逐渐提高，腐蚀电流逐渐减小，极化电阻逐渐增大，其耐蚀性逐渐增强；但当Si含量增至一定量时由于薄膜组织疏松化，导致薄膜的耐腐蚀性能又有所降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐腐蚀、耐磨损性以及生物相容性好的表面带有Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金。本发明的目的还在于提供一种能提高医用镁合金的耐腐蚀、耐磨损性能，并进一步提高医用镁合金的生物相容性的表面带有Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的表面带有Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金包括医用镁合金基材，在医用镁合金基材表面有利用离子束辅助气相沉积的方法制备的Hf-Si-N梯度涂层，所述Hf-Si-N梯度涂层的总厚度小于1μm。
本发明的带有表面Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金的制备方法包括：
(1)对镁合金基材进行前处理；(2)在前处理后的镁合金基材表面利用离子束辅助气相沉积制备一层致密Mg薄膜；(3)在制备好的Mg薄膜表面利用离子束辅助气相沉积制备Mg-Hf梯度涂层；(4)在制备好的Mg-Hf梯度涂层表面利用离子束辅助气相沉积制备Hf-N梯度涂层；(5)在制备好的Hf-N梯度涂层表面利用离子束辅助气相沉积制备Hf-Si-N梯度涂层。
所述Mg-Hf梯度涂层中Hf原子百分含量按照0-100％递增。
所述Hf-N梯度涂层中N原子百分含量按照0-50％递增。
所述Hf-Si-N梯度涂层中Si原子百分含量按照0-20％递增，N原子百分含量按照同时满足Hf∶N为1和Si∶N为3∶4变化。
所述对镁合金基材进行前处理包括：除油-磨光-抛光-超声清洗-冷风吹干。
所述对镁合金基材进行前处理还包括进行Ar离子轰击清洗。
本发明涉及的Hf-Si-N薄膜中的Hf与Ti是同族元素，且有很多性能比Ti还要优越。硬质相HfN属于立方晶结构，是重要难熔化合物铪合金的重要组分，它有优秀的物理和化学性质，如较高的热稳定性(Tm＝3380℃)和相对较低的体积电阻率(ρ＝33μΩcm)。目前采用以Hf、Si和N元素来考虑制备保护性强化涂层的研究尚未见报道。
本发明选用的镁合金是目前正在广泛研究的潜在的生物医用材料，但由于由于耐腐蚀、耐磨损性能较差，限制了其应用。本发明通过离子束辅助气相沉积(IBAD)方法在医用镁合金表面制备Hf-Si-N薄膜，以提高其耐腐蚀、耐磨损性能，并进一步提高其生物相容性。
本发明提供的医用镁合金表面Hf-Si-N梯度涂层及其制备方法的优点及有益效果是：
1.提高医用镁合金表面硬度和耐磨损性能。
2.按照材料特性设计的梯度涂层，有利于提高涂层与镁合金基体的结合力。
3.Hf-Si-N涂层自身具有优异的生物相容性和耐体液腐蚀性。
4.Hf-Si-N梯度涂层的成分、厚度及硬度等可根据生物医用环境的要求调节，涂层普适性强。
附图说明
图1AZ31镁合金表面Hf-Si-N梯度薄膜的表面形貌照片；
图2AZ31镁合金表面Hf-Si-N梯度薄膜的AFM照片；
图3AZ31镁合金表面Hf-Si-N梯度薄膜的XRD图谱；
图4AZ31镁合金表面Hf-Si-N单一薄膜的的表面形貌照片；
图5AZ31镁合金表面Hf-Si-N单一薄膜的XRD图谱；
图6AZ31镁合金表面Hf-Si-N梯度薄膜的纳米压痕数据表。
具体实施方式
下面举例对本发明作更详细的描述：
实施例1.
对基体镁合金碱性除油-磨光-抛光-超声清洗-冷风吹干后Ar离子轰击清洗，利用离子束辅助气相沉积制备一层致密Mg薄膜。在预制好的Mg薄膜表面利用离子束辅助气相沉积制备Mg-Hf梯度涂层，其中Hf原子百分含量按照0-100％递增。在预制好的Mg-Hf梯度涂层表面利用离子束辅助气相沉积制备HfN梯度涂层，其中N原子百分含量按照0-50％递增。最后在预制好的HfN梯度涂层表面利用离子束辅助气相沉积制备Hf-Si-N梯度涂层，其中Si原子百分含量按照0-20％递增，N原子百分含量按照同时满足Hf∶N为1和Si∶N为3∶4变化。涂层形貌及相结构见图1-3，纳米力学性能指标见图6的表所示。
实施例2
对基体镁合金碱性除油-磨光-抛光-超声清洗-冷风吹干后Ar离子轰击清洗，利用离子束辅助气相沉积制备一层致密Mg薄膜。在预制好的Mg薄膜表面利用离子束辅助气相沉积制备Mg-Hf梯度涂层，其中Hf原子百分含量按照0-100％递增。在预制好的Mg-Hf梯度涂层表面利用离子束辅助气相沉积制备HfN梯度涂层，其中N原子百分含量按照0-50％递增。最后在预制好的HfN梯度涂层表面利用离子束辅助气相沉积制备Hf-Si-N单一涂层，其中Si原子百分含量为2.3％递增，N原子百分含量满足Hf∶N为1和Si∶N为3∶4。涂层形貌及相结构见图4和图5。
实施例3
对基体镁合金碱性除油-磨光-抛光-超声清洗-冷风吹干后Ar离子轰击清洗，利用离子束辅助气相沉积制备一层致密Mg薄膜。在预制好的Mg薄膜表面利用离子束辅助气相沉积制备Hf-Si-N梯度涂层，其中Si原子百分含量按照0-20％递增，N原子百分含量按照同时满足Hf∶N为1和Si∶N为3∶4变化。
实施例4
对基体镁合金碱性除油-磨光-抛光-超声清洗-冷风吹干后Ar离子轰击清洗，利用离子束辅助气相沉积制备一层致密Mg薄膜。在预制好的Mg薄膜表面利用离子束辅助气相沉积制备HfN梯度涂层，其中N原子百分含量按照0-50％递增。最后在预制好的HfN梯度涂层表面利用离子束辅助气相沉积制备Hf-Si-N梯度涂层，其中Si原子百分含量按照0-20％递增，N原子百分含量按照同时满足Hf∶N为1和Si∶N为3∶4变化。
实施例5
对基体镁合金碱性除油-磨光-抛光-超声清洗-冷风吹干后Ar离子轰击清洗，利用离子束辅助气相沉积制备一层致密Mg薄膜。在预制好的Mg薄膜表面利用离子束辅助气相沉积制备Mg-Hf梯度涂层，其中Hf原子百分含量按照0-100％递增。最后在预制好的Mg-Hf梯度涂层表面利用离子束辅助气相沉积制备Hf-Si-N梯度涂层，其中Si原子百分含量按照0-20％递增，N原子百分含量按照同时满足Hf∶N为1和Si∶N为3∶4变化。
实施例6
对基体镁合金碱性除油-磨光-抛光-超声清洗-冷风吹干后Ar离子轰击清洗，利用离子束辅助气相沉积制备一层致密Mg薄膜。在预制好的Mg薄膜表面利用离子束辅助气相沉积制备Mg-Hf梯度涂层，其中Hf原子百分含量按照0-100％递增。
实施例7
对基体镁合金碱性除油-磨光-抛光-超声清洗-冷风吹干后Ar离子轰击清洗，利用离子束辅助气相沉积制备一层致密Mg薄膜。在预制好的Mg薄膜表面利用离子束辅助气相沉积制备HfN梯度涂层，其中N原子百分含量按照0-50％递增。

Claims (8)

1.一种表面带有Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金，包括医用镁合金基材，在医用镁合金基材表面有利用离子束辅助气相沉积的方法制备的Hf-Si-N梯度涂层，所述Hf-Si-N梯度涂层的总厚度小于1μm；所述Hf-Si-N梯度涂层是通过如下方法得到的涂层：(1)对镁合金基材进行前处理；(2)在前处理后的镁合金基材表面利用离子束辅助气相沉积制备一层致密Mg薄膜；(3)在制备好的Mg薄膜表面利用离子束辅助气相沉积制备Mg-Hf梯度涂层；(4)在制备好的Mg-Hf梯度涂层表面利用离子束辅助气相沉积制备Hf-N梯度涂层；(5)在制备好的Hf-N梯度涂层表面利用离子束辅助气相沉积制备Hf-Si-N梯度涂层。
2.根据权利要求1所述的表面带有Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金包括医用镁合金基材，其特征是：所述Hf-Si-N梯度涂层中Si原子百分含量按照0-20％递增，N原子百分含量按照同时满足Hf∶N为1和Si∶N为3∶4变化。
3.一种带有表面Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金的制备方法，其特征是：
(1)对镁合金基材进行前处理；(2)在前处理后的镁合金基材表面利用离子束辅助气相沉积制备一层致密Mg薄膜；(3)在制备好的Mg薄膜表面利用离子束辅助气相沉积制备Mg-Hf梯度涂层；(4)在制备好的Mg-Hf梯度涂层表面利用离子束辅助气相沉积制备Hf-N梯度涂层；(5)在制备好的Hf-N梯度涂层表面利用离子束辅助气相沉积制备Hf-Si-N梯度涂层。
4.根据权利要求3所述的带有表面Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金的制备方法，其特征是：所述Mg-Hf梯度涂层中Hf原子百分含量按照0-100％递增。
5.根据权利要求4所述的带有表面Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金的制备方法，其特征是：所述Hf-N梯度涂层中N原子百分含量按照0-50％递增。
6.根据权利要求5所述的带有表面Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金的制备方法，其特征是：所述Hf-Si-N梯度涂层中Si原子百分含量按照0-20％递增，N原子百分含量按照同时满足Hf∶N为1和Si∶N为3∶4变化。
7.根据权利要求6所述的带有表面Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金的制备方法，其特征是：所述对镁合金基材进行前处理包括：除油-磨光-抛光-超声清洗-冷风吹干。
8.根据权利要求7所述的带有表面Hf-Si-N梯度涂层的医用镁合金的制备方法，其特征是：所述对镁合金基材进行前处理还包括进行Ar离子轰击清洗。
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