CN113416994A - 一种金属材料的表面改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属材料的表面改性方法，本发明具体涉及金属材料表面改性技术领域，采用阳极氧化法和微弧氧化法是提高医用钛合金内植物表面生物学活性较为理想的选择。阳极氧化技术利用电化学处理法制备二氧化钛纳米管，工艺流程简单，适合应用于形状复杂的医用钛合金内植物表面，通过调整制备工艺参数，能够使TiO2‑NT的管径在几十到几百纳米范围内变化；另一方面，通过MAO技术能够在医用钛合金材料表面制备微孔凹陷及微米级氧化层，并在其表面形成的特异性氧化膜中加入钙和磷，从而提高内植物材料表面涂层的生物学活性，处理后的钛合金材料具有最优的生物学活性以及组织界面稳定性。
Description
技术领域
本发明具体涉及金属材料表面改性技术领域，具体是一种金属材料的表面改性方法。
背景技术
钛合金指的是多种用钛与其他金属制成的合金金属。钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金。
目前，钛合金材料(Ti6Al4V)内植物已成为最主要的医用金属内植物组成之一，然而其生物活性尚不够理想，在内植物一骨组织结合界面的成骨效果存在进一步提高的可能，如何通过金属材料表面改性技术，在钛合金材料表面制备具有较高生物学活性的新型涂层，成为提高医用金属内植物材料的生物学活性以及其生物体内成骨效果的关键点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属材料的表面改性方法，以解决上述背景技术中提出的钛合金材料(Ti6Al4V)内植物已成为最主要的医用金属内植物组成之一，然而其生物活性尚不够理想，在内植物-骨组织结合界面的成骨效果存在进一步提高的可能的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种金属材料的表面改性方法，包括以下步骤：
步骤1：准备材料；
步骤2：准备阳极氧化电解液；
步骤3：准备微弧氧化电解液；
步骤4：阳极氧化处理；
步骤5：微弧氧化处理；
步骤6：性能检测。
优选的，所述的步骤1：准备材料，采用Ti6Al4V钛合金轧制薄板，直径为12mm，厚度为1mm。
优选的，所述的步骤1，准备辅助材料，氢氟酸、丙酮、乙二醇、异丙醇乙醇、无水乙醇、酒精、去离子水和工业用碳化硅砂纸。
优选的，所述的步骤2：准备阳极氧化电解液，采用工作电压范围为0-60V的恒电位仪，电解液为乙二醇溶液加入质量分数为0.25％的NH4F和质量分数为2％的去离子水。
优选的，所述的步骤3：准备微弧氧化电解液，采用WHD-30型微弧氧化脉冲电源，电解液由β-甘油磷酸钠和乙酸钙组成，配比为：β-甘油磷酸钠0.01mol/L，乙酸钙0.08mol/L，Ca/P比为8。
优选的，所述的步骤4：阳极氧化处理，将Ti6Al4V钛合金试样在800℃的条件下固溶0.5h，水冷为近β合金相部分，再将合金板放置于550℃的条件下3h，通过随炉冷却和空冷两种热处理技术和时效热处理法处理。
优选的，所述的步骤4，将热处理后的试样分别用300号、600号、800号以及1000号碳化硅砂纸顺序逐级抛光，再通过6微米大小粒度的金刚石抛光液进行抛光，阳极氧化处理前将试样置于超声波清洗器中依次用丙酮、酒精和去离子水反复清洗15min，室温条件下干燥备用。
优选的，所述的步骤4，用聚四氟乙烯包裹好的钛合金试样作为阳极，选用铂电极作为阴极，Ag/AgCl(1MKCl)为参比电极，电解液中放置可调温的电磁搅拌以以控制阳极氧化处理过程中的温度，整个过程保持27℃，处理时间为30min，电压为正常工作电压，处理完成后，在氧气中完成晶化热处理。
优选的，所述的步骤5：微弧氧化处理，将钛合金试样表面依次用240、600、1200目碳化硅砂纸逐级抛光，分别用丙酮、乙醇和去离子水超声各清洗15min，室温条件下干燥，将钛合金式样作为阳极，以不锈钢为阴极，微弧氧化过程中的电参数分别为，通过恒压模式，正向电压350V，无负向电压，频率800Hz，占空比50％，β-甘油磷酸钠和乙酸钙作为电解液，通过冷却系统将电解液的温度始终保持在40℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中，阳极氧化法和微弧氧化法是提高医用钛合金内植物表面生物学活性较为理想的选择。阳极氧化技术利用电化学处理法制备二氧化钛纳米管，工艺流程简单，适合应用于形状复杂的医用钛合金内植物表面，通过调整制备工艺参数，能够使TiO2-NT的管径在几十到几百纳米范围内变化；另一方面，通过MAO技术能够在医用钛合金材料表面制备微孔凹陷及微米级氧化层，并在其表面形成的特异性氧化膜中加入钙和磷，从而提高内植物材料表面涂层的生物学活性。处理后的钛合金材料的纳米级形貌特征能够显著提高成骨细胞的黏附、增殖和分化能力，具有最优的生物学活性以及组织界面稳定性。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中，一种金属材料的表面改性方法，包括以下步骤：
步骤1：准备材料；
步骤2：准备阳极氧化电解液；
步骤3：准备微弧氧化电解液；
步骤4：阳极氧化处理；
步骤5：微弧氧化处理；
步骤6：性能检测。
优选的，所述的步骤1：准备材料，采用Ti6Al4V钛合金轧制薄板，直径为12mm，厚度为1mm。
优选的，所述的步骤1，准备辅助材料，氢氟酸、丙酮、乙二醇、异丙醇乙醇、无水乙醇、酒精、去离子水和工业用碳化硅砂纸。
优选的，所述的步骤2：准备阳极氧化电解液，采用工作电压范围为0-60V的恒电位仪，电解液为乙二醇溶液加入质量分数为0.25％的NH4F和质量分数为2％的去离子水。
优选的，所述的步骤3：准备微弧氧化电解液，采用WHD-30型微弧氧化脉冲电源，电解液由β-甘油磷酸钠和乙酸钙组成，配比为：β-甘油磷酸钠0.01mol/L，乙酸钙0.08mol/L，Ca/P比为8。
优选的，所述的步骤4：阳极氧化处理，将Ti6Al4V钛合金试样在800℃的条件下固溶0.5h，水冷为近β合金相部分，再将合金板放置于550℃的条件下3h，通过随炉冷却和空冷两种热处理技术和时效热处理法处理。
优选的，所述的步骤4，将热处理后的试样分别用300号、600号、800号以及1000号碳化硅砂纸顺序逐级抛光，再通过6微米大小粒度的金刚石抛光液进行抛光，阳极氧化处理前将试样置于超声波清洗器中依次用丙酮、酒精和去离子水反复清洗15min，室温条件下干燥备用。
优选的，所述的步骤4，用聚四氟乙烯包裹好的钛合金试样作为阳极，选用铂电极作为阴极，Ag/AgCl(1MKCl)为参比电极，电解液中放置可调温的电磁搅拌以以控制阳极氧化处理过程中的温度，整个过程保持27℃，处理时间为30min，电压为正常工作电压，处理完成后，在氧气中完成晶化热处理。
优选的，所述的步骤5：微弧氧化处理，将钛合金试样表面依次用240、600、1200目碳化硅砂纸逐级抛光，分别用丙酮、乙醇和去离子水超声各清洗15min，室温条件下干燥，将钛合金式样作为阳极，以不锈钢为阴极，微弧氧化过程中的电参数分别为，通过恒压模式，正向电压350V，无负向电压，频率800Hz，占空比50％，β-甘油磷酸钠和乙酸钙作为电解液，通过冷却系统将电解液的温度始终保持在40℃。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种金属材料的表面改性方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：准备材料；
步骤2：准备阳极氧化电解液；
步骤3：准备微弧氧化电解液；
步骤4：阳极氧化处理；
步骤5：微弧氧化处理；
步骤6：性能检测。
2.根据权利要求1所述的一种金属材料的表面改性方法，其特征在于：所述的步骤1：准备材料，采用Ti6Al4V钛合金轧制薄板，直径为12mm，厚度为1mm。
3.根据权利要求2所述的一种金属材料的表面改性方法，其特征在于：所述的步骤1，准备辅助材料，氢氟酸、丙酮、乙二醇、异丙醇乙醇、无水乙醇、酒精、去离子水和工业用碳化硅砂纸。
4.根据权利要求1所述的一种金属材料的表面改性方法，其特征在于：所述的步骤2：准备阳极氧化电解液，采用工作电压范围为0-60V的恒电位仪，电解液为乙二醇溶液加入质量分数为0.25％的NH4F和质量分数为2％的去离子水。
5.根据权利要求1所述的一种金属材料的表面改性方法，其特征在于：所述的步骤3：准备微弧氧化电解液，采用WHD-30型微弧氧化脉冲电源，电解液由β-甘油磷酸钠和乙酸钙组成，配比为：β-甘油磷酸钠0.01mol/L，乙酸钙0.08mol/L，Ca/P比为8。
6.根据权利要求1所述的一种金属材料的表面改性方法，其特征在于：所述的步骤4：阳极氧化处理，将Ti6A14V钛合金试样在800℃的条件下固溶0.5h，水冷为近β合金相部分，再将合金板放置于550℃的条件下3h，通过随炉冷却和空冷两种热处理技术和时效热处理法处理。
7.根据权利要求6所述的一种金属材料的表面改性方法，其特征在于：所述的步骤4，将热处理后的试样分别用300号、600号、800号以及1000号碳化硅砂纸顺序逐级抛光，再通过6微米大小粒度的金刚石抛光液进行抛光，阳极氧化处理前将试样置于超声波清洗器中依次用丙酮、酒精和去离子水反复清洗15min，室温条件下干燥备用。
8.根据权利要求7所述的一种金属材料的表面改性方法，其特征在于：所述的步骤4，用聚四氟乙烯包裹好的钛合金试样作为阳极，选用铂电极作为阴极，Ag/AgCl(1MKCl)为参比电极，电解液中放置可调温的电磁搅拌以以控制阳极氧化处理过程中的温度，整个过程保持27℃，处理时间为30min，电压为正常工作电压，处理完成后，在氧气中完成晶化热处理。
9.根据权利要求1所述的一种金属材料的表面改性方法，其特征在于：所述的步骤5：微弧氧化处理，将钛合金试样表面依次用240、600、1200目碳化硅砂纸逐级抛光，分别用丙酮、乙醇和去离子水超声各清洗15min，室温条件下干燥，将钛合金式样作为阳极，以不锈钢为阴极，微弧氧化过程中的电参数分别为，通过恒压模式，正向电压350V，无负向电压，频率800Hz，占空比50％，β-甘油磷酸钠和乙酸钙作为电解液，通过冷却系统将电解液的温度始终保持在40℃。
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