CN105568344A - 对纯钛进行复合表面改性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种对纯钛进行复合表面改性的方法，其包括如下步骤：将纯钛进行第一次表面处理；对所述纯钛进行打孔，铺设纳米级碳化硅颗粒；进行搅拌摩擦纵向进给加工，形成搅拌层；将所述搅拌层进行第二次表面处理；进行微弧氧化处理。本发明的优点在于：通过纳米级碳化硅颗粒的加入，提高了材料的机械性能，在搅拌层上继续进行微弧氧化的处理方法以得到具有生物活性的多孔复合氧化层。

Description

对纯钛进行复合表面改性的方法
技术领域
本发明涉及一种对纯钛进行复合表面改性的方法，具体是通过添加碳化硅颗粒对钛金属进行搅拌摩擦加工，并对搅拌摩擦层进行微弧氧化表面处理获得纳米复合生物医用钛合金的方法。
背景技术
20世纪50年代初期，在英国和美国，纯钛首先被用来制造接骨板、髋关节、髓内钉和螺钉等生物医用材料。但临床发现，纯钛制造的髋关节和髓内钉的机械力学性能较差且表面易磨损，在应用上受到了一定的限制，仅应用于口腔种植体修复和承重较小的骨关节置换等。目前，多数研究集中于钛金属材料表面构建具有体内生物学活性的涂层，常用的生物活性涂层技术主要包括碱热处理技术、溶胶-凝胶技术、等离子体喷涂技术、电化学沉积技术、离子束辅助沉积技术、阳极氧化技术、微弧氧化技术等方法。其中，微弧氧化技术是一种在金属(如Ti和Al等)或其合金上制备耐磨耐蚀多孔氧化层的工艺，被广泛地应用于工业领域。近年来，搅拌摩擦加工技术在国内飞速发展，它是一种新型的材料表面改性加工技术，具有广阔的应用前景。在国内，搅拌摩擦加工技术的研究主要集中与铝镁等轻合金，可以提高合金表面的硬度、耐磨性及材料整体的强度、塑性和韧性，而国内搅拌摩擦加工技术在生物医用金属方面的研究尚处于起步阶段。而将微弧氧化技术与搅拌摩擦加工技术相结合，复合表面改性钛金属以制备生物医用钛金属的方法至今还未见相关报道。
发明内容
针对现有技术中的局限性，本发明的目的是提供一种对纯钛进行复合表面改性的方法。通过纳米级碳化硅颗粒的加入，提高材料的机械性能，在搅拌层上继续进行微弧氧化的方法以得到具有生物活性的多孔复合氧化层。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种对纯钛进行复合表面改性的方法，其包括如下步骤：
将纯钛进行第一次表面处理；
对所述纯钛进行打孔，铺设纳米级碳化硅颗粒；
进行搅拌摩擦纵向进给加工，形成搅拌摩擦层；
将所述搅拌层进行第二次表面处理；
进行微弧氧化处理。
搅拌摩擦加工通过搅拌头的高速旋转和移动来实现，搅拌头由搅拌针和轴肩组成。加工过程中，搅拌头高速旋转并缓缓挤入工件待加工的部位，直至轴肩和工件表面紧密接触。之后，搅拌针伸进材料的内部，进行摩擦和搅拌。产生的剪切摩擦热使金属温度升高，搅拌轴周围的金属变软，产生了塑性流变。同时，搅拌头以一定速度沿着加工方向前进。在旋转和前进的过程中，搅拌和摩擦行为保持了搅拌摩擦加工区域的热量输入，导致搅拌区的晶粒产生强塑性变形，发生了动态再结晶，晶粒得到了细化，得到了明显的细晶和超细晶组织，加入第二相颗粒时的混合能力也较高，可以实现表面改性。搅拌摩擦焊接的优点是：变形区域很小，工件失真较低，有良好的尺寸稳定性和重复性，合金元素不会损失。
微弧氧化是一种在有色金属表面原位生长陶瓷涂层的新技术。是将Al、Mg、Ti等有色金属及其合金作为阳极置于电解质溶液中，在高电流高电压作用下，利用等离子体、化学、电化学原理，使材料表面产生火花或微弧放电，在热、电化学和等离子体的共同作用下，原位生成陶瓷膜层的新型表面处理技术。微弧氧化不仅可以在钛合金表面原位合成与基体结合牢固的氧化物覆层，而且在形成钛氧化物的同时，钙和磷离子会进入氧化层并与其结合在一起，形成具有较好的生物相容性和生物活性的覆层。微弧氧化的优点在于将阳极氧化的电压范围从法拉第区提高到微弧区，获得高硬度、极耐磨、强绝缘的微弧氧化膜。
本发明利用搅拌摩擦焊技术，将纳米级的碳化硅颗粒引入到纯钛中，不仅使得材料晶粒细化，而且可以显著提高钛金属的机械性能。将钛金属在含钠、磷、铝、硅元素的溶液中进行微弧氧化处理，制备出具有生物活性的多孔氧化层，可以提高医用钛金属的生物学活性。
作为优选方案，所述纯钛的厚度为4～6mm。
作为优选方案，所述纯钛表面打孔直径为1～3mm，深度1～3mm，以铺设纳米级碳化硅颗粒。
作为优选方案，所述铺设的碳化硅颗粒的粒径为50～100nm。
作为优选方案，所述搅拌摩擦加工中使用的搅拌头的材质为YL-10A硬质合金。
作为优选方案，所述的搅拌头轴肩为10mm，直径为10mm，搅拌针的根部直径为5mm，端部直径为3mm，针长为2mm。
作为优选方案，所述的纵向进给加工中，控制搅拌头转速300～700r/min，前进速度是40～50mm/min，加工道次为1道次后，材料基体表面出现紧密排列着环状的纹路。
作为优选方案，所述第二次表面处理的方法具体为：将搅拌摩擦加工后的试样经磨床打磨平整以进行后续的表面改性加工处理，打磨深度2mm。
作为优选方案，所述的微弧氧化处理具体包括如下操作：
将纯钛和不锈钢板置于处理液中，以不锈钢板为阴极、纯钛为阳极进行直流电电弧氧化。
作为优选方案，所述处理液为硅酸钠、六偏磷酸钠和偏铝酸钠的混合水溶液，其中，硅酸钠的质量浓度为8.59～12.89g/L，六偏磷酸钠的质量浓度为8～22g/L，偏铝酸钠的质量浓度为4～10g/L。
作为优选方案，所述电源形式为脉冲直流电源，电流密度为10A/dm2、处理液的温度为25～50℃、频率为1000Hz、电弧氧化时间为60min。
作为优选方案，所述微弧氧化工艺的占空比为5～15％。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
通过纳米级碳化硅颗粒的加入，采用搅拌摩擦加工的方法提高材料表面的机械性能，在搅拌层上继续进行微弧氧化的后续处理以得到具有生物活性的多孔氧化层。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为添加碳化硅颗粒的搅拌摩擦加工表面改性涂层的扫描电镜照片；
图2为在5％的占空比条件下搅拌摩擦加工试样表面进行微弧氧化的试样表面扫描电镜照片；
图3为在10％的占空比条件下搅拌摩擦加工试样表面进行微弧氧化的试样表面扫描电镜照片；
图4为在15％的占空比条件下搅拌摩擦加工试样表面进行微弧氧化的试样表面扫描电镜照片；
图5为现有技术对实施例1中的纯钛试样进行搅拌摩擦焊接后的试样表面照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种搅拌摩擦加工复合微弧氧化表面改性的方法，具体步骤如下：
(a)、材料一次表面处理：将厚度为4mm的纯钛试样表面打磨磨光，用丙酮清洗保持试样表面清洁。
(b)、固定加工试样：将纯钛试样固定在搅拌摩擦加工设备的夹具上，打孔铺设一层碳化硅(碳化硅)颗粒。铺设打孔直径为1mm，深度2mm，碳化硅颗粒大小为50nm。
(c)、搅拌摩擦加工工艺处理：设置搅拌摩擦加工的工艺参数，加工时，利用高速旋转的搅拌针缓慢插入工件表面，直至搅拌头轴肩与工件表面产生一定的压力，开始纵向进给加工，形成搅拌摩擦层。搅拌头为YL-10A硬质合金，搅拌头轴肩为10mm，直径为10mm，搅拌针的根部直径为5mm，端部直径为3mm，针长为2mm。搅拌摩擦加工通过搅拌头的高速旋转和移动实现，搅拌头转速500r/min，前进速度是50mm/min。加工道次为1道次后，材料基体表面出现紧密排列着环状的纹路。图1为添加碳化硅颗粒的搅拌摩擦加工表面改性涂层的扫描电镜照片；
(d)、材料二次表面处理：将搅拌摩擦加工后的试样经磨床打磨平整，用丙酮清洗保持试样表面清洁，经磨床磨光试样的厚度为2mm。
(e)、微弧氧化处理工艺：通过电解液与相应电参数的组合，在经搅拌摩擦加工后的试样表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出二氧化钛陶瓷涂层。溶液温度维持在25-50℃，配置溶液为10L。微弧氧化工艺采用脉冲直流电源设备，阴极为不锈钢板；阳极为钛。微弧氧化工艺采用脉冲直流电源设备电流密度：10A/dm2，频率1000Hz，试验时间：60min。微弧氧化工艺参数为硅酸钠(Na2SiO3)：8.59～12.89g/L；六偏磷酸钠(NaPO3)6：8～22g/L；偏铝酸钠(NaAlO2)：4～10g/L；占空比为5％。图2为在搅拌摩擦加工试样表面进行微弧氧化的试样表面扫描电镜照片(占空比为5％)。
实施例2
本实施例涉及一种搅拌摩擦加工复合微弧氧化表面改性的方法，具体步骤参照实施例1，不同之处如下：占空比为10％。图3为在搅拌摩擦加工试样表面进行微弧氧化的试样表面扫描电镜照片(占空比为10％)。
实施例3
本实施例涉及一种搅拌摩擦加工复合微弧氧化表面改性的方法，具体步骤参照实施例1，不同之处如下：占空比为15％。图4为在搅拌摩擦加工试样表面进行微弧氧化的试样表面扫描电镜照片(占空比为15％)。
对比例1
目前仅有技术为搅拌摩擦焊接方法对实施例1所述的钛合金进行表面改性，获得的表面改性层如图5所示，获得的表面粗糙不平，不能直接应用，需要进行后续的表面精加工，且无法形成生物多孔氧化层；而利用微弧氧化方法获得的改性层表面光洁平滑，减少了后续表面精加工工艺，形成了多孔氧化层可直接应用于生物医用材料。
综上所述，本发明通过纳米级碳化硅颗粒的加入，采用搅拌摩擦加工的方法提高材料表面的机械性能，在搅拌层上继续进行微弧氧化的后续处理以得到具有生物活性的多孔氧化层。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (12)

1.一种对纯钛进行复合表面改性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将纯钛进行第一次表面处理；
对所述纯钛进行打孔，铺设纳米级碳化硅颗粒；
进行搅拌摩擦纵向进给加工，形成搅拌摩擦层；
将所述搅拌层进行第二次表面处理；
进行微弧氧化处理。
2.如权利要求1所述的对纯钛进行复合表面改性的方法，其特征在于，所述纯钛的厚度为4～6mm。
3.如权利要求1所述的对纯钛进行复合表面改性的方法，其特征在于，所述纯钛表面打孔直径1～3mm，深度1～3mm。
4.如权利要求1所述的对纯钛进行复合表面改性的方法，其特征在于，所述碳化硅颗粒的粒径大小为50～100nm。
5.如权利要求1所述的对纯钛进行复合表面改性的方法，其特征在于，所述搅拌摩擦加工中使用的搅拌头的材质为YL-10A硬质合金。
6.如权利要求1所述的对纯钛进行复合表面改性的方法，其特征在于，所述的搅拌头轴肩为10mm，直径为10mm，搅拌针的根部直径为5mm，端部直径为3mm，针长为2mm。
7.如权利要求1所述的对纯钛进行复合表面改性的方法，其特征在于，所述的搅拌摩擦纵向进给加工中，控制搅拌头转速300～700r/min，前进速度是40～50mm/min，加工一道次后，材料基体表面出现紧密排列着环状的纹路。
8.如权利要求1所述的对纯钛进行复合表面改性的方法，其特征在于，所述第二次表面处理的方法为：将搅拌摩擦层的环状纹路进行磨光，控制打磨深度为1～2mm。
9.如权利要求1所述的对纯钛复合进行表面改性的方法，其特征在于，所述的微弧氧化处理具体包括如下操作：
将纯钛和不锈钢板置于处理液中，以不锈钢板为阴极、纯钛为阳极进行脉冲直流电弧氧化处理。
10.如权利要求9所述的对纯钛进行复合表面改性的方法，其特征在于，所述处理液为硅酸钠、六偏磷酸钠和偏铝酸钠的混合水溶液，其中，硅酸钠的质量浓度为8.59～12.89g/L，六偏磷酸钠的质量浓度为8～22g/L，偏铝酸钠的质量浓度为4～10g/L。
11.如权利要求9所述的对纯钛进行复合表面改性的方法，其特征在于，所述处理液的温度为25～50℃、脉冲直流电流密度5～40A/dm2、频率1000Hz、电弧氧化时间为60～120min。
12.如权利要求9所述的对纯钛进行复合表面改性的方法，其特征在于，所述脉冲直流电弧氧化的占空比为5～15％。
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