CN207176089U - 一种制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及植入体表面处理工程技术领域，具体公开了一种制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置。本实用新型制备过程主要包括对多孔金属样件进行预处理、电沉积制备多孔金属表面的细晶生物活性涂层、研磨流动电沉积，通过将硬质粒子加入电解液中，溶液以一定速度流过多孔金属三维表面的时候，粒径微小的硬质粒子也随着溶液穿过多孔结构内部，可对SLM多孔金属三维表面的微粗糙结构进行研磨。这种研磨作用可去除传统预处理过程难以除去的金属表面残留的毛刺、未熔金属粉末等。本实用新型电沉积CaP沉积层均匀性、致密性获得显著改善，并且有利于提高细晶强化、材料耐蚀性。

Description

一种制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置

技术领域

本实用新型涉及植入体表面处理工程技术领域，具体涉及一种制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置。

背景技术

选区激光熔化(SLM)技术作为一种近净成型技术，其加工零件成形后，作为机械构件仅需少量加工或不再加工就可直接使用。因此，未经处理的SLM平板钛材在最优工艺条件下其表面粗糙度约为Ra5-8μm，而多孔钛因结构设计复杂，激光扫描路径规划及加工参数通常需要调整，则局部粗糙度更高。作为植入式医用金属材料，适度粗糙的表面可促进材料在植入后与人体组织的结合，而过于粗糙的表面则会导致硬组织的磨损。与自体骨和生物活性人工骨相比医用金属钛及其合金依然是生物惰性，植入后难以与硬组织形成直接的化学键合，两者之间的结合强度较低，难以满足长期使用要求。因此，选区激光熔化(SLM)技术制备的医用多孔金属其表面改性十分必要，其目的首先是为了保证植入体的生物安全性，避免植入后由于磨损、腐蚀引发的炎症反应；同时，也是为了增加材料表面的生物活性，提高材料与硬组织的结合强度。

目前用于多孔金属的表面处理技术主要是化学、电化学方法，因为这两类方法均是在溶液中进行，而溶液可以较容易的进入多孔金属内部。对比化学和电化学方法可以发现化学法工艺更加简单，但沉积效率较低、可调整的工艺参数有限，涂层的可控性差；电化学方法除了溶液因素还可以通过调整能量参数来控制沉积层厚度、化学组成、晶体结构、尺寸等，且沉积效率较高。

羟基磷灰石(化学分子式为Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，简称HA)，是一种被广泛应用于临床的陶瓷类植骨材料，无论化学组成还是晶体结构都与人体骨骼相接近，具有良好的骨传导和骨诱导能力，但生物力学性能较差，直接植入人体后多会出现疏松、迁移、破坏等现象。而将其涂覆或沉积于钛及钛合金表面，制备金属基陶瓷复合材料——既有钛金属的高强度又能兼具磷灰石的生物活性。

Zhang等(Zhang Q Y,Leng Y,Xin R L.A comparative study ofelectrochemical deposition and biomimetic deposition of calcium phosphate onporous titanium.Biomaterials.26(2005)2857-2865.)利用电化学沉积法对钛珠松装烧结制成的多孔钛(孔隙率约为40％，孔径为100-300μm)进行了表面电沉积Ca/P涂层活化处理。在电沉积前首先对多孔钛分别进行了酸预处理、酸+碱预处理，电沉积后两种预处理样品的内外表面均形成了薄片状磷酸钙盐涂层，其中多孔结构外表面涂层厚度约为25μm，内部孔隙涂层厚度约为5-10μm，然而利用上述方法处理的多孔金属，未对SLM技术制备金属原有的自粗化表面进行有针对性的工艺优化，以去除表面的加工缺陷，尤其是多孔结构内部表面残留的毛刺、凸起、未熔金属粉末等激光加工表面微结构；同时，多孔金属内部因电流密度、溶液浓度分布不均匀导致的涂层生长速度(厚度)不均匀也无法改善。因此，上述问题尚有待进一步的改进。

实用新型内容

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置，在流动电沉积过程中引入研磨工艺，促使硬质粒子对SLM多孔钛三维表面进行反复地机械研磨，一方面可以有效去除SLM金属表面的毛刺、凸起及未熔化金属粉等，并能驱赶多孔结构内在电沉积过程中产生的H₂，避免涂层结构过于疏松；另一方面，对于多孔结构内部因电流密度、溶液浓度分布不均匀，导致的多孔金属最外表面或边缘处生长速度过快，甚至可能生长为表面凸起，而这种凸起可以和机械研磨作用相互平衡，使得SLM多孔结构内外表面所得沉积层更为平整、均匀，连续的机械研磨还可以显著改善沉积层的微观结构，有效细化晶粒，最终获得整体上平整、均匀、细晶的CaP沉积层。

当然，本申请装置不仅用于对SLM多孔钛的处理，还可以应用于其他的一些多孔钛合金甚至其他多孔金属的表面处理。

为实现上述目的，本实用新型采取以下的技术方案：

本实用新型的制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置，包括电源、电沉积腔体、溶液循环系统和搅拌系统；

所述电沉积腔体内置有多孔金属电极和辅助电极；所述多孔金属电极和辅助电极分别与电源的两极连接；

所述溶液循环系统包括电解液存储池，所述电解液存储池的电解液出口与电沉积腔体的电解液入口管道连通，所述电解液存储池的电解液入口与电沉积腔体的电解液出口管道连通，形成循环回路；所述电解液存储池内容置有电解液以及硬质粒子；

所述电解液存储池的电解液出口与电沉积腔体的电解液入口之间的管道上设置有蠕动泵；

所述搅拌系统用于对电解液存储池的液体进行搅拌。

进一步的，所述蠕动泵与所述电沉积腔体的电解液入口之间的管道上设置有溢流阀。

进一步的，所述溶液循环系统还包括温控装置，所述温控装置用于对电解液存储池内电解液的温度进行调节控制。

进一步的，所述搅拌系统为超声波装置、磁力器或者桨式搅拌机。

进一步的，所述多孔金属电极竖直固定设置于电沉积腔体的底部，所述辅助电极固定于距离所述多孔金属电极2-3mm处。

进一步的，所述辅助电极包括一块或多块，多块辅助电极分布设置于电沉积腔体各侧面对应距离位置。

进一步的，所述硬质粒子在电解液中的加入量为50～150g/dm³，直径为1.5-2.0μm。

一种电沉积制备多孔金属表面的细晶生物活性涂层的方法，包括以下步骤：

步骤1多孔金属基材的预处理

对多孔金属样件进行清洗除油，备用；

步骤2含硬质粒子的电解悬浮液的配制

配制含钙盐、磷酸盐的电解液，将硬质粒子加入电解液中，配制成含硬质粒子的悬浮液；

步骤3电沉积制备多孔金属表面的细晶生物活性涂层

采用电沉积装置将电解液存储池内的悬浮有硬质粒子的电解液以一定速度、方向流过电沉积腔体内的多孔金属样件；电沉积过程，电解液在电解液存储池与电沉积腔体间循环流动；

步骤4研磨流动电沉积

根据多孔金属的尺寸、孔隙率、表面粗糙度选择合适粒径、用量的硬质粒子，同时调整溶液流速、流动方式，提高多孔金属的多孔结构内外表面沉积层的均匀性，同时获得晶粒细化的CaP沉积层。

进一步的，步骤1所述清洗除油过程具体为对多孔金属样件进行碱性除油液处理，取出样件并用去离子水冲洗干净，再利用酸性的侵蚀液在进行酸洗处理，并清洗干净。

进一步的，所述碱性除油液为20～40g·L^-1NaH₂PO₂·H₂O、10～20g·L^-1无水Na₂CO₃、3～5g·L^-1NaOH的水溶液；所述侵蚀液为5～15mL·L^-1HF与10～30mL·L^-1HNO₃的水溶液。

进一步的，多孔金属样件采用碱性除油液时，碱性除油液温度为70-90℃。

进一步的，所述清洗除油过程采用超声波辅助处理；对多孔金属样件碱性除油液处理为在超声波条件下处理2～10min；侵蚀液处理为在超声条件下清洗20～60s，取出后用去离子水为在超声条件下冲洗干净，去除表面的残留酸液，自然晾干，备用。

进一步的，步骤2所述电解液由钙盐、磷盐的水溶液组成，其中Ca²⁺浓度为25.1～75.0mmol·L^-1，H₂PO₄ ^-浓度为10.1～60.0mmol·L^-1，Ca/P摩尔比为1.6～1.8，室温电解液的pH值为4.5～6.0。

进一步的，步骤2所述硬质粒子在电解液中的加入量为50～150g/dm³，直径为1.5-2.0μm。

进一步的，所述硬质粒子为SiC或SiO₂中的至少一种；

所述SiC纯度高于99％；所述SiO₂杂质含量低于0.3％，且杂质中的Si含量低于0.09％。

进一步的，配制电解悬浮液前，先将硬质粒子用1:1硝酸水溶液清洗，然后用去离子水冲洗、烘干。

本实用新型的有益效果为：

基于现有的选区激光熔化技术制备的多孔结构金属表面结构粗糙，又很难通过传统的机械方法进行加工处理的问题，本实用新型将硬质粒子加入电解液中，溶液以一定速度流过多孔金属三维表面的时候，粒径微小的硬质粒子也随着溶液穿过多孔结构内部，可对SLM多孔金属三维表面的微粗糙结构进行研磨。这种研磨作用可去除传统预处理过程难以除去的金属表面残留的毛刺、未熔金属粉末等。

此外，对于多孔金属的电沉积反应而言，因电流密度、溶液浓度在多孔结构内外分布不均匀，会造成多孔结构内外表面沉积层生长速度不一致，因此造成的涂层厚度、性质的不均匀性会随样件尺寸增大而增加。本实用新型将粒径微小的硬质粒子加入溶液，为可调节的研磨作用，可以平衡多孔结构内外表面上涂层生长速度的不均匀，获得整体上平整、均匀、细晶的CaP沉积层。

本实用新型在使多孔金属的电沉积CaP沉积层均匀性、致密性获得显著改善的同时，还使得细晶强化、提高材料耐蚀性的作用。

附图说明

图1为本申请电沉积装置的结构示意图；

图2为图1中多孔金属电极和辅助电极固定于电沉积腔体的局部示意图；

图3为另一种多孔金属电极和辅助电极固定于电沉积腔体的示意图；

图4为另一种多孔金属电极和辅助电极固定于电沉积腔体的示意图；

图5为多孔金属电沉积效果图；其中图(a，b)为现有技术加工工艺制备得到的SLM多孔钛的自粗糙表面效果图；图(c，d)为采用本申请的研磨电沉积处理后的SLM多孔钛表面效果图。

附图标记：1、电解液；2、硬质粒子；3、超声波装置；4、电解液存储池；5、温控装置；6、蠕动泵；7、溢流阀；8、密封软管；9、管接头；10、电沉积腔体；11、钛电极固定夹；12、SLM多孔钛电极；13、辅助电极；14、电源。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

本实用新型的制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置进行电沉积制备多孔金属表面的细晶生物活性涂层，具体实施过程如下：

对多孔金属基材进行预处理

本实施例选用的多孔金属样件为SLM多孔钛样件，将SLM多孔钛样件放入由30g·L^-1NaH₂PO₂·H₂O、20g·L^-1无水Na₂CO₃、3g·L^-1NaOH的水溶液组成的碱性除油液中，采用超声波辅助条件下清洗约5min，碱性除油液可以通过温控装置5进行加热控温，使碱性除油液的温度处于80±2℃进行样件清洗。

取出样件并用去离子水冲洗干净。

再利用酸性的侵蚀液在进行酸洗，侵蚀液选用氢氟酸与硝酸的混合水溶液，具体为5mL·L^-1HF与25mL·L^-1HNO₃的水溶液，在超声波的条件下清洗50s。

经酸洗后的SLM多孔钛样件，采用去离子水清洗干净，清洗过程可以采用超声波辅助清洗，去除表面的残留酸液，自然晾干作为SLM多孔钛电极12，备用。

配制含硬质粒子的电解悬浮液

电解液1由钙盐、磷盐的水溶液组成，其中Ca(NO₃)₂和(NH₄)₂HPO₄浓度分别为42.01mmol/L和25.00mmol/L，Ca/P摩尔比1.67，pH值5.5。按照浓度为75g/dm³将碳化硅粒子放入电解液1中，且利用磁力搅拌器防止硬质粒子2沉降。

其中，硬质粒子为直径分布区间在1.5-2.0μm的碳化硅粒子，要求其粒径分布窄、纯度高，配制溶液前先将碳化硅颗粒用1:1硝酸水溶液清洗，然后用去离子水冲洗、烘干。

除上述实施方式外，本实用新型的硬质粒子2还可以选用二氧化硅，或者是以任意比例混合的碳化硅与二氧化硅。硬质粒子2直径可以根据SLM多孔样件的尺寸、孔隙尺寸选择，优选在粒径为1.0-10.0μm内的一个窄分布区间中选取。硬质粒子2用量可根据SLM多孔样件尺寸、表面粗糙度数值，在电解液中添加范围为50～150g/dm³。

用于制备多孔金属表面的细晶生物活性涂层的电沉积装置

如图1所示，采用本实用新型的SLM制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置进行电沉积制备生物活性涂层，所述电沉积装置包括电源14、电沉积腔体10、溶液循环系统和搅拌系统。

所述电沉积腔体10内容置SLM多孔钛电极12和铂网辅助电极13(也可以选用铂片或其他金属电极作为对电极)，SLM多孔钛电极12竖直放置于电沉积腔体10内，并使用钛电极固定夹11固定于电沉积腔体10的底部，铂网辅助电极13固定于SLM多孔钛电极12的上方，两电极间距保持在3mm。

除上述实施方式外，两极还可以设置成其他一些实施例形式，如图3所示，SLM多孔钛电极12竖直放置于电沉积腔体10内，并使用钛电极固定夹11固定于电沉积腔体10的底部，铂网辅助电极13布设于SLM多孔钛电极12的上方以及左右两侧。或者，如图4所示，铂网辅助电极13呈n形固定，n形包围SLM多孔钛电极12的上方以及左右两侧。但无论何种设置方式，两电极间距尽量保持在2-3mm。

当SLM多孔钛电极12只有部分是多孔结构，将致密结构向下、多孔结构向上放置于电沉积腔体10内。

所述电源14为电解过程提供电压，SLM多孔钛电极12和辅助电极13分别与电源14的两极连接；电沉积工艺过程可以用恒压模式或者恒流模式。

所述溶液循环系统包括电解液存储池4，所述电解液存储池4的电解液1出口通过密封软管8与电沉积腔体10的电解液1入口连通，所述电解液存储池4的电解液1入口通过密封软管8与电沉积腔体10的电解液1出口连通，形成循环回路；所述电沉积腔体10的电解液1入口、出口处均设置有体管接头9，以方便与密封软管8连接。

所述电解液存储池4内容置本实施例配制的含碳化硅的电解悬浮液；为保证悬浮液的均匀分散，电解液存储池4需要配置搅拌系统，采用搅拌系统对电解液存储池4的液体进行搅拌，该搅拌系统可以选用超声波装置3、磁力器或者桨式搅拌机。本实施例选用超声波装置3进行搅拌，超声波装置3设置于电解液存储池4内，将高频振荡电讯号转换成高频机械振荡，以纵波的形式在电解液1中辐射，使硬质粒子2能够均匀分散在电解液1中。

所述电解液存储池4的电解液1出口与电沉积腔体10的电解液1入口之间的密封软管8上设置有蠕动泵6；作为优选方案，所述蠕动泵6与所述电沉积腔体10的电解液1入口之间的密封软管8上设置有溢流阀7。

作为进一步优化方案，电解液存储池4下方装有温控装置5，温控装置5可确保电解液1温度处于恒温可调状态。

具体工作方式：

实验过程中，连接安装好电沉积装置，利用温控装置5加热电解液1至50-60℃。启动蠕动泵6，将电解液存储池4内的悬浮有碳化硅粒子的电解液1以一定速度、方向流过电沉积腔体10内的SLM多孔钛电极12；电沉积采用直流电源通电，沉积电流密度和溶液流速的设置需要根据涂层生长速度综合考虑，电流密度高涂层生长速度快，相应地多孔金属内不同厚度处溶液浓度、电极电势相差越大；而溶液流速越大，悬浮电解液1中碳化硅粒子对多孔金属表面的研磨作用越大，对SLM多孔钛表面毛刺、凸起等的整平作用越明显。因此，溶液流速控制在5-10ml/min，电流密度控制在0.6-1A/cm²，可获得较为理想的效果。电沉积时间为1小时。电沉积结束，切断电源14，停止蠕动泵6，从电沉积腔体10内取出SLM多孔钛电极12，整个电沉积加工过程完成，如图5所示，分别为本实用新型方法制备得到的SLM多孔钛(c、d)与现有技术的SLM多孔钛(a、b)表里面效果示意图。

电沉积腔体10的设计结构和尺寸确保悬浮溶液能够匀速流过样件的全部内外表面。

本实用新型中，可根据多孔金属的尺寸、孔隙率、表面粗糙度选择合适粒径、用量的硬质粒子，同时调整溶液流速、流动方式，最大程度地提高多孔金属的多孔结构内外表面沉积层的均匀性，同时获得晶粒细化的CaP沉积层。

将硬质粒子2加入电解液1中，在溶液以一定速度流过多孔金属三维表面的同时，粒径微小的硬质粒子2也随着溶液穿过多孔结构内部，可对多孔金属三维表面的微粗糙结构和所生成涂层进行研磨。在反应初期这种研磨作用可去除一些预处理过程难以除去的金属表面残留的毛刺、未熔金属粉末等，随着反应进行还可以平衡因多孔结构内电流密度分布不均匀导致的涂层生长速度不均，获得整体上平整、均匀、细晶的CaP沉积层。

本实用新型采用蠕动泵6实现悬浮溶液流速的连续可调，用搅拌系统防止悬浮溶液沉降，电沉积腔体10的设计确保电沉积悬浮溶液能匀速流过多孔金属的全部表面，以提高多孔金属电沉积的沉积效率和涂层的均匀性。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置，其特征在于，包括电源、电沉积腔体、溶液循环系统和搅拌系统；

所述电沉积腔体内置有多孔金属电极和辅助电极；所述多孔金属电极和辅助电极分别与电源的两极连接；

所述溶液循环系统包括电解液存储池，所述电解液存储池的电解液出口与电沉积腔体的电解液入口管道连通，所述电解液存储池的电解液入口与电沉积腔体的电解液出口管道连通，形成循环回路；所述电解液存储池内容置有电解液以及硬质粒子；

所述电解液存储池的电解液出口与电沉积腔体的电解液入口之间的管道上设置有蠕动泵；

所述搅拌系统用于对电解液存储池的液体进行搅拌。

2.根据权利要求1所述的制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置，其特征在于，所述蠕动泵与所述电沉积腔体的电解液入口之间的管道上设置有溢流阀。

3.根据权利要求1所述的制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置，其特征在于，所述溶液循环系统还包括温控装置，所述温控装置用于对电解液存储池内电解液的温度进行调节控制。

4.根据权利要求1所述的制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置，其特征在于，所述搅拌系统为超声波装置。

5.根据权利要求1所述的制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置，其特征在于，所述多孔金属电极竖直固定设置于电沉积腔体的底部，所述辅助电极固定于距离所述多孔金属电极2-3mm处。

6.根据权利要求5所述的制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置，其特征在于，所述辅助电极包括一块或多块，多块辅助电极分布设置于电沉积腔体各侧面对应距离位置。

7.根据权利要求1所述的制备细晶CaP涂层的研磨流动电沉积装置，其特征在于，所述硬质粒子在电解液中的加入量为50～150g/dm³，直径为1.5-2.0μm。