CN110408894B - 一种Ti-Mg合金涂层及其制备方法与应用 - Google Patents

一种Ti-Mg合金涂层及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN110408894B
CN110408894B CN201910666376.9A CN201910666376A CN110408894B CN 110408894 B CN110408894 B CN 110408894B CN 201910666376 A CN201910666376 A CN 201910666376A CN 110408894 B CN110408894 B CN 110408894B
Authority
CN
China
Prior art keywords
alloy coating
cleaning
alloy
magnesium
target current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910666376.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110408894A (zh
Inventor
魏先顺
董悦
沈军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tongji University
Original Assignee
Tongji University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tongji University filed Critical Tongji University
Priority to CN201910666376.9A priority Critical patent/CN110408894B/zh
Publication of CN110408894A publication Critical patent/CN110408894A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110408894B publication Critical patent/CN110408894B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/28—Materials for coating prostheses
    • A61L27/30—Inorganic materials
    • A61L27/306—Other specific inorganic materials not covered by A61L27/303 - A61L27/32
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/58—Materials at least partially resorbable by the body
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/021—Cleaning or etching treatments
    • C23C14/022—Cleaning or etching treatments by means of bombardment with energetic particles or radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2420/00—Materials or methods for coatings medical devices
    • A61L2420/06—Coatings containing a mixture of two or more compounds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

本发明涉及一种Ti‑Mg合金涂层及其制备方法与应用。所述Ti‑Mg合金涂层为Ti‑Mg过饱和固溶体结构，具有高生物相容性和低降解速率。本发明的Ti‑Mg合金涂层是采用多弧离子镀技术制备，其中原材料靶材选用工业纯度的钛靶和镁靶。本发明通过调控多弧离子镀的制备参数，在保证其形成过饱和固溶体的基础上，提高了材料在模拟人体体液的耐蚀性和生物相容性，有利地降低了涂层的降解速率，特别适用于目前医用骨修复材料的高耐腐蚀性和低降解速率的服役要求。

Description

一种Ti-Mg合金涂层及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于合金涂层材料领域，尤其是涉及一种具有高生物相容性和低降解速率的Ti-Mg合金涂层及其制备方法与应用。
背景技术
医用骨修复材料要具有力学性能好、耐腐蚀、良好生物活性和低弹性模量等性能方面的要求。目前研究比较多的是钛合金和镁合金，相比传统的不锈钢和钴基合金，医用钛合金具有高强度、优异的耐腐蚀性能和很好的生物相容性等特点，镁合金具有密度低、优异的生物相容性和可降解性能，因此钛合金和镁合金是新一代医用骨修复材料的首选材料。尽管钛合金和镁合金具有优异的性能，但是应用过程中存在若干问题。医用钛合金的弹性模量偏高，容易产生应力屏蔽效应，近些年来开发了Ti-Mo、Ti-Nb、Ti-Ta等低弹性模量的β钛合金，但是贵金属元素的添加增加了材料的成本。对于医用镁合金，主要存在的问题是合金的耐蚀性差，导致镁合金植入材料在体内降解过快，并且产生大量氢气，改变生物组织周围的PH值，进而影响骨细胞组织的生长。近些年Ti-Mg合金作为一种新型的医用材料，兼顾了钛合金和镁合金的优异性能，有望成为高生物相容性和低降解速率的医用骨修复候选材料。
Ti-Mg合金是一种典型的难混溶合金，所谓难混溶合金是指在平衡合金相图中存在两液相不混溶区的一类合金。在500℃以下，Mg在Ti中的固溶度仅为0.3at.％，而Ti在Mg中的固溶度约为0.1at.％，混合焓大于20kJ/mol atom。另外Mg的沸点(1090℃)远低于Ti的熔点(1668℃)，因此很难通过传统合金液体凝固方法制备Ti-Mg合金。前期研究表明，在非平衡条件下，Mg元素在Ti晶格中的固溶度可以扩展，并形成亚稳态的Ti-Mg过饱和固溶体，与纯镁相比，这种难混溶过饱和固溶体的具有优异的耐蚀性，因此降低Ti-Mg合金中Mg在生物体内的降解速率，主要是形成合金固溶体，来抑制材料中的Mg单相组织。目前Ti-Mg合金的制备方法，主要有粉末冶金高能球磨法，如Kasonde Maweja等人利用高能球磨技术可以使Mg在Ti中的固溶度扩展到50at.％，形成过饱和FCC和BCC固溶体相，但是合金粉末在固结过程中很容易发生相分离，生成单相Mg组织，因此，粉末冶金方法制备大尺寸零件难度较大，限制了实际的应用范围。为了解决这一问题，可以把Ti-Mg合金制备成涂层材料，可以采用钛合金或镁合金为基体，基体材料起到承受载荷作用，在基体材料上制备一层Ti-Mg过饱和固溶体合金涂层，从而起到提高生物相容性和低降解速率的目的。
目前已报道的制备Ti-Mg过饱和固溶体合金涂层主要采用磁控溅射方法。磁控溅射自问世后就获得了迅速的发展和广泛的应用，但磁控溅射也存在着一些问题，主要有：
1、磁控溅射所利用的环状磁场迫使二次电子跳栏式地沿着环状磁场转圈。相应地，环状磁场控制的区域是等离子体密度最高的部位。在磁控溅射时，可以看见溅射气体—氩气在这部位发出强烈的淡蓝色辉光，形成一个光环。处于光环下的靶材是被离子轰击最严重的部位，会溅射出一条环状的沟槽。环状磁场是电子运动的轨道，环状的辉光和沟槽将其形象地表现了出来。磁控溅射靶的溅射沟槽一旦穿透靶材，就会导致整块靶材报废，所以靶材的利用率不高，一般低于40％。
2、等离子体不稳定。
3、不能实现强磁性材料的低温高速溅射，因为几乎所有的磁通都通不过磁性靶子，所以在靶面附近不能加外加强磁场。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有高生物相容性和低降解速率的Ti-Mg合金涂层及其制备方法与应用。
本发明采用了成本更低，基体与涂层结合力更好的多弧离子镀技术制备了一种具有高生物相容性和低降解速率的Ti-Mg过饱和固溶体合金涂层。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种Ti-Mg合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以钛和镁金属作为靶材，将靶材分别放置在多弧离子镀设备腔体内的两个位置，要求位置呈一定角度，达到共沉积的目的；
(2)将单晶硅基片放于两靶中间的位置，使之可以充分接触到靶材蒸发的金属离子；
(3)将多弧离子镀设备抽真空；
(4)在炉腔内充入保护气，进行辉光清洗；
(5)进行弧光清洗；
(6)开始镀覆Ti-Mg合金涂层，具体参数为，钛靶电流50～60A，真空度0.8～5.5Pa，Ar气流量20～30sccm，基体负偏压200-600V，占空比20～50％，镁靶电流45-60A，从而获得Ti-Mg合金涂层，所述Ti-Mg合金涂层为Ti-Mg过饱和固溶体结构。
在本发明的一个实施方式中，所述钛和镁金属采用工业纯级别。
在本发明的一个实施方式中，所述单晶硅基片放入多弧离子镀设备腔体内之前进行清洁，清洁步骤具体为依次经过表面打磨、丙酮和酒精清洗，最后吹干待用。
在本发明的一个实施方式中，步骤(3)中，将多弧离子镀设备抽真空抽至8×10-3Pa以下。
在本发明的一个实施方式中，步骤(4)中，在炉腔内充入保护气至5Pa以上。
在本发明的一个实施方式中，步骤(4)中进行辉光清洗的具体参数为，Ar气流量40sccm，基体负偏压300V，占空比50％，清洗时间20min。
在本发明的一个实施方式中，步骤(5)中进行弧光清洗的具体参数为，真空度0.5～2Pa，Ar气流量20～30sccm，基体负偏压200～400V，占空比20～50％，清洗时间3min，钛靶电流50～60A，镁靶电流50～60A。
在本发明的一个实施方式中，所述保护气包括但不限于高纯氩气。
在本发明的一个实施方式中，步骤(6)所得Ti-Mg合金涂层的厚度为1μm-1.5μm。
在本发明的一个实施方式中，步骤(6)中镀覆Ti-Mg合金涂层的时间为60-120min，优选为90min。
一种Ti-Mg合金涂层，采用上述制备方法制备而成，其包括的成分及其原子百分比含量为：Ti元素含量范围15～60at.％，Mg元素含量范围40～85at.％，例如Ti18.9Mg81.1、Ti50.2Mg49.8或Ti57.1Mg42.9，所述Ti-Mg合金涂层中的物相组织均匀，存在FCC相，具有高的耐蚀性和生物相容性，有利于降低了涂层在生物介质中的降解速率。
所述Ti-Mg合金涂层用于对耐腐蚀和低降解性要求比较高的医用骨修复材料中。
多弧离子镀镀膜时，工件(基片)带负偏压，工件始终受高能离子的轰击。离子镀具有很多优点，如形成膜层的结合力好，膜层的绕镀性好，膜层组织可控参数多，膜层粒子总体能量高，容易进行反应沉积，可以在较低温度下获得化合物膜层。在非平衡状态下促使合金固溶度发生扩展，在材料表面改性领域得到了广泛的应用。本发明采用多弧离子镀技术制备Ti-Mg合金涂层材料，通过调整镀膜过程中的工艺参数，如基体负偏压、镀膜真空度、靶电流等工艺参数，研究了不同工艺参数对其显微组织结构变化的影响，随着Mg靶电流的增加，Mg的沉积速率明显增加，薄膜厚度增加，合金薄膜中Mg元素的含量增加，Ti元素含量减少，如果Mg元素含量超过一定范围，有大量单相Mg生成，不利于薄膜的耐蚀性；适当增加衬底负偏压可以增加沉积过程中Mg和Ti金属离子的动能，增加薄膜与基体的附着力，但过高的衬底负偏压，造成沉积过程中金属离子撞击薄膜的能量升高，薄膜沉积温度升高，过高的温度将不利于过饱和固溶体FCC相的形成；随着镀膜真空度的增加，增加了Mg和Ti金属离子碰撞混合的程度，因此增加真空度有利于过饱和固溶体FCC相的形成，但过高的真空度将使得薄膜的沉积速率降低。此外，Ti-Mg难混溶合金过饱和固溶体在Ti-Mg合金涂层的钝化过程中，能形成稳定致密的氧化膜，从而有效改善在模拟人体体液的耐蚀性。Ti-Mg合金涂层还可以有效降低降解速率。
本发明通过多弧离子镀技术，开发出一种具有高耐蚀性及低降解速率的新型Ti-Mg合金涂层，用于对耐腐蚀和低讲解性要求比较高的医用骨修复材料中。
与现有技术相比，本发明制备出的新型Ti-Mg合金涂层具有以下优点及有益效果：
(1)本发明制备的Ti-Mg合金涂层结构中存在Ti-Mg难混溶合金过饱和固溶体。
(2)本发明制备的Ti-Mg合金涂层具有优异的耐蚀性。
(3)本发明制备的Ti-Mg合金涂层具有低降解速率。
(4)本发明制备的Ti-Mg合金涂层因其同时兼顾低降解速率和优异的耐蚀性，其作为医用骨修复材料应用前景更为广泛。
附图说明
图1是本发明实施例1所制备出的Ti-Mg合金涂层样品照片。
图2是本发明实施例1、2、3所制备出的Ti-Mg合金涂层的X射线衍射图谱。
图3是本发明实施例1、2、3所制备出的Ti-Mg合金涂层的扫描电子显微镜图片。
图4是本发明实施例1、2、3所制备出的Ti-Mg合金涂层的动态极化曲线。
图5是本发明实施例1、2、3所制备出的Ti-Mg合金涂层的腐蚀速率图片。
具体实施方式
新型Ti-Mg合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用工业纯级别的Ti、Mg金属靶材；
(2)对所述的单晶硅基体放入真空室之前进行清洁，清洁步骤具体为依次经过表面打磨、丙酮和酒精清洗，最后吹干待用；
(3)将靶材分别放置在多弧离子镀设备腔体内的两个位置，要求位置呈一定角度，达到共沉积的目的；将单晶硅基片放于两靶中间的位置，使之可以充分接触到靶材蒸发的金属离子；
(3)将多弧离子镀设备抽真空抽至8×10-3Pa；
(4)在炉腔内充入保护气至5Pa，进行辉光清洗，具体参数为，Ar气流量40sccm，基体负偏压300V，占空比50％，清洗时间20min；
(5)进行弧光清洗，具体参数为，真空度0.5～2Pa，Ar气流量20～30sccm，基体负偏压200～400V，占空比20～50％，清洗时间3min，钛靶电流50～60A，镁靶电流50～60A。
(6)开始镀Ti-Mg合金涂层，具体参数为，钛靶电流50～60A：真空度0.8～5.5Pa，Ar气流量20～30sccm，基体负偏压200-600V，占空比20～50％，镁靶电流45-60A，从而获得Ti-Mg合金涂层，所述Ti-Mg合金涂层为Ti-Mg过饱和固溶体结构，为了保证金属离子的成分均匀性，镀膜时间为90min；
(7)镀膜完成后取出Ti-Mg合金涂层。
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就相互结合。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例的Ti-Mg合金涂层镀膜时的制备参数主要是：
真空度5.5Pa，
基体负偏压200V，
镁靶电流60A
其制备方法为：
将单晶硅基体放入真空室之前进行清洁，清洁步骤具体为依次经过表面打磨、丙酮和酒精清洗，最后吹干待用；将靶材分别放置在多弧离子镀设备腔体内的两个位置，要求位置呈一定角度，达到共沉积的目的；将单晶硅基片放于两靶中间的位置，使之可以充分接触到靶材蒸发的金属离子；之后再将多弧离子镀设备抽真空抽至8×10-3Pa；然后在炉腔内充入保护气至5Pa，进行辉光清洗，具体参数为，Ar气流量40sccm，基体负偏压300V，占空比50％，清洗时间20min；然后进行弧光清洗，具体参数为，真空度2Pa，Ar气流量30sccm，基体负偏压400V，占空比30％，清洗时间3min；钛靶电流60A，镁靶电流60A。然后开始镀覆Ti-Mg合金涂层，具体参数为，钛靶电流60A：真空度5.5Pa，Ar气流量30sccm，基体负偏压200V，占空比30％，镁靶电流60A，从而获得Ti-Mg过饱和固溶体结构，为了保证金属离子的成分均匀性，镀膜时间为90min；镀膜完成后取出新型的Ti-Mg合金涂层。
本实施例中的得到的Ti-Mg合金涂层的成分及各个成分的原子百分比含量为：Ti18.9at.％，Mg 81.1at.％，存在过饱和固溶体。
实施例2
本实施例的Ti-Mg合金涂层镀膜时的制备参数主要是：
真空度0.8Pa，
基体负偏压600V，
镁靶电流50A
其制备方法为：
将单晶硅基体放入真空室之前进行清洁，清洁步骤具体为依次经过表面打磨、丙酮和酒精清洗，最后吹干待用；将靶材分别放置在多弧离子镀设备腔体内的两个位置，要求位置呈一定角度，达到共沉积的目的；将单晶硅基片放于两靶中间的位置，使之可以充分接触到靶材蒸发的金属离子；之后再将多弧离子镀设备抽真空抽至8×10-3Pa；然后在炉腔内充入保护气至5Pa，进行辉光清洗，具体参数为，Ar气流量40sccm，基体负偏压300V，占空比50％，清洗时间20min；然后进行弧光清洗，具体参数为，真空度2Pa，Ar气流量30sccm，基体负偏压400V，占空比30％，清洗时间3min；钛靶电流60A，镁靶电流60A。然后开始镀覆Ti-Mg合金涂层，具体参数为，钛靶电流60A：真空度0.8Pa，Ar气流量30sccm，基体负偏压600V，占空比30％，镁靶电流50A，从而获得Ti-Mg过饱和固溶体结构，为了保证金属离子的成分均匀性，镀膜时间为90min；镀膜完成后取出新型的Ti-Mg合金涂层。
本实施例中的得到的Ti-Mg合金涂层的成分及各个成分的原子百分比含量为：Ti50.2at.％，Mg 49.8at.％。
实施例3
本实施例的Ti-Mg合金涂层镀膜时的制备参数主要是：
真空度0.8Pa，
基体负偏压600V，
镁靶电流40A
其制备方法为：
将单晶硅基体放入真空室之前进行清洁，清洁步骤具体为依次经过表面打磨、丙酮和酒精清洗，最后吹干待用；将靶材分别放置在多弧离子镀设备腔体内的两个位置，要求位置呈一定角度，达到共沉积的目的；将单晶硅基片放于两靶中间的位置，使之可以充分接触到靶材蒸发的金属离子；之后再将多弧离子镀设备抽真空抽至8×10-3Pa；然后在炉腔内充入保护气至5Pa，进行辉光清洗，具体参数为，Ar气流量40sccm，基体负偏压300V，占空比50％，清洗时间20min；然后进行弧光清洗，具体参数为，真空度2Pa，Ar气流量30sccm，基体负偏压400V，占空比30％，清洗时间3min；钛靶电流60A，镁靶电流60A。然后开始镀覆Ti-Mg合金涂层，具体参数为，钛靶电流60A：真空度0.8Pa，Ar气流量30sccm，基体负偏压600V，占空比30％，镁靶电流45A，从而获得Ti-Mg过饱和固溶体结构，为了保证金属离子的成分均匀性，镀膜时间为90min；镀膜完成后取出新型的Ti-Mg合金涂层。
本实施例中的得到的Ti-Mg合金涂层的成分及各个成分的原子百分比含量为：Ti57.1at.％，Mg 42.9at.％。
实施例1所制备的Ti-Mg合金涂层的形貌图如图1所示，可以看出，样品表面无裂纹，呈现出金属光泽和镜面光洁度。
图2中的三组XRD衍射图谱分别是实施例1、2、3中所制备的Ti18.9Mg81.1,Ti50.2Mg49.8,Ti57.1Mg42.9难混溶合金涂层。从图中可知，三种Ti-Mg合金涂层的衍射图谱显示出Mg(0 0 0 2)，Ti(1 0 0 0)，Mg(1 0 1 0)和Ti(1 0 1 0)的晶体衍射峰，以及面心立方(FCC)择优取向，表明所制备的Ti-Mg合金涂层存在过饱和固溶体。
图3(a)，(b)和(c)分别为本实施例1，2和3所制备的Ti-Mg合金涂层的截面扫描电子显微镜，从图中可知Ti-Mg合金涂层在Ti含量较低时，会出现分层和Mg颗粒富集的现象，随着Ti含量的增加，截面呈现均匀致密的组织结构。
图4是实施例1、2以及3中所制备的Ti18.9Mg81.1,Ti50.2Mg49.8,Ti57.1Mg42.9难混溶合金涂层在模拟人体体液溶液中的动态极化曲线。从图中可知实施例2和3的维钝电流密度要小于实施例1，此外实施例1，2和3的维钝区间也很大，说明Ti-Mg合金涂层在模拟人体体液中具有优异的耐蚀性能。
图5是实施例1、2以及3中所制备的Ti18.9Mg81.1,Ti50.2Mg49.8,Ti57.1Mg42.9难混溶合金涂层在模拟人体体液溶液中的降解速率图。从图中可知实施例2和3的降解速率要小于实施例1，此外实施例1，2和3的降解速率远远小于Mg合金的降解速率，说明Ti-Mg合金涂层在医用骨修复材料中有更好的前景。
实施例4
新型Ti-Mg合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用工业纯级别的Ti、Mg金属靶材；
(2)对所述的单晶硅基体放入真空室之前进行清洁，清洁步骤具体为依次经过表面打磨、丙酮和酒精清洗，最后吹干待用；
(3)将靶材分别放置在多弧离子镀设备腔体内的两个位置，要求位置呈一定角度，达到共沉积的目的；将单晶硅基片放于两靶中间的位置，使之可以充分接触到靶材蒸发的金属离子；
(4)将多弧离子镀设备抽真空抽至8×10-3Pa；
(5)在炉腔内充入保护气至5Pa，进行辉光清洗，具体参数为，Ar气流量40sccm，基体负偏压300V，占空比50％，清洗时间20min；
(6)进行弧光清洗，具体参数为，真空度0.5Pa，Ar气流量20sccm，基体负偏压200V，占空比20％，清洗时间3min，钛靶电流50A，镁靶电流50A。
(7)开始镀Ti-Mg合金涂层，具体参数为，钛靶电流50A：真空度0.8～5.5Pa，Ar气流量20sccm，基体负偏压400V，占空比20％，镁靶电流45A，从而获得Ti-Mg合金涂层，所述Ti-Mg合金涂层为Ti-Mg过饱和固溶体结构，为了保证金属离子的成分均匀性，镀膜时间为90min；
(8)镀膜完成后取出Ti-Mg合金涂层。
实施例5
新型Ti-Mg合金涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用工业纯级别的Ti、Mg金属靶材；
(2)对所述的单晶硅基体放入真空室之前进行清洁，清洁步骤具体为依次经过表面打磨、丙酮和酒精清洗，最后吹干待用；
(3)将靶材分别放置在多弧离子镀设备腔体内的两个位置，要求位置呈一定角度，达到共沉积的目的；将单晶硅基片放于两靶中间的位置，使之可以充分接触到靶材蒸发的金属离子；
(4)将多弧离子镀设备抽真空抽至8×10-3Pa；
(5)在炉腔内充入保护气至5Pa，进行辉光清洗，具体参数为，Ar气流量40sccm，基体负偏压300V，占空比50％，清洗时间20min；
(6)进行弧光清洗，具体参数为，真空度1Pa，Ar气流量25sccm，基体负偏压300V，占空比50％，清洗时间3min，钛靶电流55A，镁靶电流55A。
(7)开始镀Ti-Mg合金涂层，具体参数为，钛靶电流55A：真空度0.8～5.5Pa，Ar气流量25sccm，基体负偏压600V，占空比50％，镁靶电流50A，从而获得Ti-Mg合金涂层，所述Ti-Mg合金涂层为Ti-Mg过饱和固溶体结构，为了保证金属离子的成分均匀性，镀膜时间为90min；
(8)镀膜完成后取出Ti-Mg合金涂层。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种Ti-Mg合金涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以钛和镁金属作为靶材，将靶材分别放置在多弧离子镀设备腔体内的两个位置，要求位置呈一定角度，达到共沉积的目的；
(2)将单晶硅基片放于两靶中间的位置，使之可以充分接触到靶材蒸发的金属离子；
(3)将多弧离子镀设备抽真空；
(4)在炉腔内充入保护气，进行辉光清洗；
(5)进行弧光清洗；
(6)开始镀覆Ti-Mg合金涂层，具体参数为，钛靶电流50～60A，真空度0.8～5.5Pa，Ar气流量20～30sccm，基体负偏压200-600V，占空比20～50％，镁靶电流45-60A，镀覆Ti-Mg合金涂层的时间为60-120min，从而获得Ti-Mg合金涂层，所得Ti-Mg合金涂层的厚度为1μm-1.5μm，所述Ti-Mg合金涂层为Ti-Mg过饱和固溶体结构，所述Ti-Mg合金涂层包括的成分及其原子百分比含量为：Ti元素含量范围15～60at.％，Mg元素含量范围40～85at.％，所述Ti-Mg合金涂层中的物相组织均匀，存在FCC相。
2.根据权利要求1所述的一种Ti-Mg合金涂层的制备方法，其特征在于，所述钛和镁金属采用工业纯级别。
3.根据权利要求1所述的一种Ti-Mg合金涂层的制备方法，其特征在于，所述单晶硅基片放入多弧离子镀设备腔体内之前进行清洁，清洁步骤具体为依次经过表面打磨、丙酮和酒精清洗，最后吹干待用。
4.根据权利要求1所述的一种Ti-Mg合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤(4)中进行辉光清洗的具体参数为，Ar气流量40sccm，基体负偏压300V，占空比50％，清洗时间20min。
5.根据权利要求1所述的一种Ti-Mg合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤(5)中进行弧光清洗的具体参数为，真空度2Pa，Ar气流量30sccm，基体负偏压400V，占空比30％，清洗时间3min，钛靶电流60A，镁靶电流60A。
6.根据权利要求1所述的一种Ti-Mg合金涂层的制备方法，其特征在于，所述保护气包括但不限于高纯氩气。
7.根据权利要求1所述的一种Ti-Mg合金涂层的制备方法，其特征在于，步骤(6)中镀覆Ti-Mg合金涂层的时间为90min。
8.根据权利要求1所述的一种Ti-Mg合金涂层的制备方法，其特征在于，所述Ti-Mg合金涂层用于对耐腐蚀和低降解性要求比较高的医用骨修复材料中。
CN201910666376.9A 2019-07-23 2019-07-23 一种Ti-Mg合金涂层及其制备方法与应用 Active CN110408894B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910666376.9A CN110408894B (zh) 2019-07-23 2019-07-23 一种Ti-Mg合金涂层及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910666376.9A CN110408894B (zh) 2019-07-23 2019-07-23 一种Ti-Mg合金涂层及其制备方法与应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110408894A CN110408894A (zh) 2019-11-05
CN110408894B true CN110408894B (zh) 2020-10-02

Family

ID=68362627

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910666376.9A Active CN110408894B (zh) 2019-07-23 2019-07-23 一种Ti-Mg合金涂层及其制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110408894B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112877641B (zh) * 2021-01-13 2022-06-07 同济大学 一种Ti-Mg纳米多层合金薄膜及其制备方法
CN114369808B (zh) * 2021-12-20 2024-02-06 中国兵器科学研究院宁波分院 一种镁及镁合金表面制备抗菌涂层的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1995442A (zh) * 2006-02-28 2007-07-11 姜培齐 利用物理气相沉积技术制造表面抗菌制品的方法
CN101422977A (zh) * 2007-10-30 2009-05-06 比亚迪股份有限公司 一种镀膜材料及其制备方法
CN102029765A (zh) * 2010-09-27 2011-04-27 周晓宏 多色耐磨金属装饰膜层的制作方法
CN103342583A (zh) * 2013-06-28 2013-10-09 潮州三环（集团）股份有限公司 一种陶瓷材料制品表面高精度金属图案的加工方法
CN108570641A (zh) * 2018-07-06 2018-09-25 深圳市联合蓝海科技开发有限公司 表面带有镀层的贵金属制品及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1995442A (zh) * 2006-02-28 2007-07-11 姜培齐 利用物理气相沉积技术制造表面抗菌制品的方法
CN101422977A (zh) * 2007-10-30 2009-05-06 比亚迪股份有限公司 一种镀膜材料及其制备方法
CN102029765A (zh) * 2010-09-27 2011-04-27 周晓宏 多色耐磨金属装饰膜层的制作方法
CN103342583A (zh) * 2013-06-28 2013-10-09 潮州三环（集团）股份有限公司 一种陶瓷材料制品表面高精度金属图案的加工方法
CN108570641A (zh) * 2018-07-06 2018-09-25 深圳市联合蓝海科技开发有限公司 表面带有镀层的贵金属制品及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
强磁场下镁合金热处理组织研究及Mg-Ti薄膜制备;苗润琪;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）》;20130915(第9期);第B022-36页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110408894A (zh) 2019-11-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110536974B (zh) 溅射靶和生产溅射靶的方法
CN108796444A (zh) 一种高硬度四元难熔高熵合金薄膜的制备方法
CN110408894B (zh) 一种Ti-Mg合金涂层及其制备方法与应用
CN105925946B (zh) 一种利用磁控溅射法在铝合金表面制备TiN或CrN薄膜的方法
CN109207953B (zh) 抗高温氧化ZrNx/(ZrAlFe)N/(ZrAlFeM)N复合梯度涂层制备工艺
CN111344807B (zh) 具有提高的高温抗氧化性的锆合金包壳管及其制备方法
CN105908131B (zh) 一种可热生长氧化铝膜的TiAl涂层及其制备方法
CN102560338B (zh) 一种金属陶瓷涂层及其制备方法
CN113652642A (zh) 一种梯度陶瓷化高熵合金涂层及其制备方法
CN111304606A (zh) 无缺陷高纯镍钒靶坯的制备方法及利用其制备得到的靶材
CN110643955A (zh) 一种高熵合金涂层及其制备方法
Zhang et al. Columnar and nanocrystalline combined microstructure of the nitrided layer by active screen plasma nitriding on surface-nanocrystalline titanium alloy
CN106756841B (zh) 一种刀具复合涂层的制备方法
CN108977759A (zh) 一种散裂靶靶球表面金属等离子体浸没离子注入与沉积复合强化处理方法
CN110846617A (zh) 一种铜锆铝三元非晶合金薄膜及其制备方法
CN112981325B (zh) 一种热防护涂层及其制备方法与应用
Tu et al. Structure, composition and mechanical properties of reactively sputtered (TiVCrTaW) Nx high-entropy films
CN106637116B (zh) 一种二次电子发射薄膜的简易制备方法
CN113699485B (zh) 一种高熵氧化物扩散障薄膜及其制备工艺和应用
ZHANG et al. Influence of substrate bias on microstructure and morphology of ZrN thin films deposited by arc ion plating
CN103614698B (zh) 一种高温抗氧化铌合金复合涂层及其制备方法
CN112877641B (zh) 一种Ti-Mg纳米多层合金薄膜及其制备方法
CN115572920B (zh) 一种Zr-Cu二元非晶材料及其应用
CN114875360B (zh) 一种抗高温氧化的NiAl/AlSiON多层复合涂层及制备方法
Zhang et al. Microstructure and Oxidation Resistance of V Thin Films Deposited by Magnetron Sputtering at Room Temperature

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant