RU2669257C1 - Method for obtaining structured porous coating on titanium - Google Patents

Method for obtaining structured porous coating on titanium Download PDF

Info

Publication number
RU2669257C1
RU2669257C1 RU2017128383A RU2017128383A RU2669257C1 RU 2669257 C1 RU2669257 C1 RU 2669257C1 RU 2017128383 A RU2017128383 A RU 2017128383A RU 2017128383 A RU2017128383 A RU 2017128383A RU 2669257 C1 RU2669257 C1 RU 2669257C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
titanium
implants
speed
laser beam
porous
Prior art date
Application number
RU2017128383A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Иван Геннадьевич Жевтун
Софья Борисовна Ярусова
Павел Сергеевич Гордиенко
Евгений Петрович Субботин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН)
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН)
Priority to RU2017128383A priority Critical patent/RU2669257C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2669257C1 publication Critical patent/RU2669257C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18After-treatment

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Prostheses (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to a method for modifying a surface of titanium to produce a structured porous layer comprising nano- and micropores, and can be used in medical technology in the manufacture of biologically compatible endoprostheses and implants for traumatology, orthopedics, plastic surgery, dental implants, for the preparation of the surface of titanium implants for the application of bioactive coatings, as well as for the manufacture of catalyst carriers and composite materials that are used in various fields of technology. Method comprises treating the surface of titanium in an argon medium by moving a laser beam with a power of no more than 300 W, preferably 250–270 W, at a speed of at least 20 mm/s, preferably 25–35 mm/s, with the simultaneous supply to the irradiation zone of the titanium carbide powder fraction 80/100 mcm, the subsequent acid etching by immersion in nitric acid for 3–5 days, washing and drying at a temperature of 50–100 °C.EFFECT: technical result of the invention is an increase in the surface area of the porous coating on titanium due to the formation of a hierarchical structure of the porous layer including micro- and nanosized pores, which increases the adhesion of the impregnating material in the preparation of composite coatings and the speed of integration of implants.3 cl, 3 ex, 2 dwg

Description

Изобретение относится к способу модификации поверхности титана с получением структурированного пористого слоя, содержащего нано- и микропоры, и может быть использовано в медицинской технике при изготовлении обладающих биологической совместимостью эндопротезов и имплантатов для травматологии, ортопедии, пластической хирургии, зубных имплантатов, для подготовки поверхности титановых имплантатов под нанесение биоактивных покрытий, а также для изготовления носителей катализаторов и композитных материалов, находящих применение в различных областях техники.The invention relates to a method for modifying a titanium surface to obtain a structured porous layer containing nano- and micropores, and can be used in medical technology in the manufacture of bioprotective endoprostheses and implants for traumatology, orthopedics, plastic surgery, dental implants, for preparing the surface of titanium implants for applying bioactive coatings, as well as for the manufacture of catalyst supports and composite materials that are used in various Other technical areas.

С позиции химической и электрохимической биосовместимости титан является наиболее предпочтительным металлом для изготовления эндопротезов, ортопедических и других имплантатов. Его модуль упругости, характеризующий способность воспринимать нагрузки без разрушения, приближен к модулю упругости кости. Оксид титана как биоинертный материал не вызывает образования фиброзной ткани, в результате репаративный остеогенез протекает в непосредственном контакте с поверхностью имплантата, при этом использование пористой поверхности обеспечивает эффективную биологическую фиксацию протезов в кости путем врастания. Однако для усиления реакции образования костной ткани необходимы биоактивные материалы, характеризующиеся образованием тесной химической связи с костью. Для обеспечения наилучших условий остеоинтеграции необходимо соответствие костной структуре не только состава покрытия, но и структуры поверхности имплантата. Для надежного технологического закрепления на имплантате покрытия из биологически активного материал необходимо создание пористой поверхности определенного типа.From the standpoint of chemical and electrochemical biocompatibility, titanium is the most preferred metal for the manufacture of endoprostheses, orthopedic and other implants. Its modulus of elasticity, which characterizes the ability to absorb loads without breaking, is close to the modulus of elasticity of the bone. Titanium oxide as a bioinert material does not cause the formation of fibrous tissue, as a result of reparative osteogenesis occurs in direct contact with the surface of the implant, while the use of a porous surface provides effective biological fixation of prostheses in the bone by ingrowth. However, to enhance the reaction of bone formation, bioactive materials are required, characterized by the formation of a close chemical bond with bone. To ensure the best conditions for osseointegration, it is necessary to match the bone structure of not only the coating composition, but also the structure of the implant surface. For reliable technological fastening on the implant of a coating of biologically active material, it is necessary to create a porous surface of a certain type.

Известен способ получения многослойного пористого покрытия на титане (CN 104800887, опубл. 2015.07.29), предусматривающий нанесение на матрицу имплантата частиц титана, последующее формирование пористого покрытия путем спекания в вакууме при температуре ниже 1000°С. Промежутки между частицами титана на поверхности имплантата сообщаются с микропорами в частицах титана его матрицы таким образом, что формируется система открытых пор, при этом диаметр пор пористой системы изменяется от 20 до 700 мкм. Содержащее титан многослойное покрытие включает высокопористое титановое покрытие. Размеры канала пор изменяются в широком интервале, что благоприятно сказывается на остеосинтезе и биологической фиксации. Кроме того, повышается сила сцепления между покрытием и материалом матрицы. Поскольку синтез осуществляется при невысокой температуре, механические свойства материала матрицы не изменяются. Известная технология обеспечивает возможность строгого контроля качества получаемого покрытия и пригодна для широкомасштабного производства. При этом к недостаткам способа следует отнести относительно высокую энергозатратность, а также необходимость использования дорогостоящего оборудования, обеспечивающего поддержание высокой температуры - 1000°С и вакуума. Кроме того, из описания не вполне понятно, как и с какой точностью регулируется размер пор в таком широком диапазоне (20-700 мкм).A known method of producing a multilayer porous coating on titanium (CN 104800887, publ. 2015.07.29), comprising applying titanium particles to the implant matrix, the subsequent formation of a porous coating by sintering in vacuum at a temperature below 1000 ° C. The gaps between the titanium particles on the surface of the implant communicate with micropores in the titanium particles of its matrix in such a way that an open pore system is formed, while the pore diameter of the porous system varies from 20 to 700 μm. The titanium-containing multilayer coating includes a highly porous titanium coating. The dimensions of the pore channel vary over a wide range, which favorably affects osteosynthesis and biological fixation. In addition, the adhesion between the coating and the matrix material is increased. Since the synthesis is carried out at a low temperature, the mechanical properties of the matrix material do not change. Known technology provides the possibility of strict quality control of the resulting coating and is suitable for large-scale production. Moreover, the disadvantages of the method include a relatively high energy consumption, as well as the need to use expensive equipment to maintain a high temperature of 1000 ° C and vacuum. In addition, from the description it is not entirely clear how and with what accuracy the pore size is controlled in such a wide range (20-700 microns).

Известен способ получения титановых материалов с градиентной пористостью методом электроискрового плазменного спекания, сочетающим воздействие высокой температуры, осевого давления, низковольтного напряжения и большого тока в присутствии электромагнитного поля (Фундаментальные исследования. 2014. №12, часть 5. С. 947-951). Порошок титана марки ПТС-1 смешивают с порошком химически чистого хлорида натрия в качестве временного наполнителя пор, спекают полученную смесь при давлении 10 МПа и консолидируют материал электроискровой плазменной обработкой при температуре 700°С. Затем временный наполнитель удаляют путем растворения его в дистиллированной воде. Полученный материал характеризуется высокой долей порового пространства (до 50%), оптимальным размером пор (100-160 мкм) и высокими механическими и адгезионными свойствами. В другом варианте осуществления способа методом ЭПС в один этап осуществляют припекание предварительно приготовленной смеси порошка титана и временного наполнителя на подложку из литого технически чистого титана марки ВТ1-0. Плавный градиент пористости полученного имплантата позволяет уменьшить механические напряжения и вероятность отслаивания пористого слоя от титановой матрицы. Основные недостатки известного способа связаны с высокой энергозатратностью и высокой стоимостью оборудования для создания высоких температур и давлений (метод SPS). Кроме того, в известном способе не обеспечивается формирование «пористых пор» - двухуровневой микро- и нанопористой структуры в поверхностном слоеA known method for producing titanium materials with gradient porosity by the method of electric spark plasma sintering, combining the effects of high temperature, axial pressure, low voltage and high current in the presence of an electromagnetic field (Fundamental research. 2014. No. 12, part 5. P. 947-951). PTS-1 grade titanium powder is mixed with chemically pure sodium chloride powder as a temporary pore filler, the mixture is sintered at a pressure of 10 MPa and the material is consolidated by electrospark plasma treatment at a temperature of 700 ° C. Then the temporary filler is removed by dissolving it in distilled water. The resulting material is characterized by a high proportion of pore space (up to 50%), optimal pore size (100-160 μm) and high mechanical and adhesive properties. In another embodiment of the method, in one step, the pre-prepared mixture of titanium powder and a temporary filler is baked onto a substrate of cast technically pure titanium grade VT1-0 in one step. A smooth porosity gradient of the obtained implant allows to reduce mechanical stresses and the likelihood of peeling of the porous layer from the titanium matrix. The main disadvantages of this method are associated with high energy consumption and high cost of equipment for creating high temperatures and pressures (SPS method). In addition, in the known method, the formation of "porous pores" is not ensured - a two-level micro- and nanoporous structure in the surface layer

Известен способ получения пористого титанового покрытия (CN 101032633, опубл. 2007.09.12), предусматривающий холодное напыление в вакууме последующим спеканием, согласно которому сначала напыляют на рельефную основу из титана или его сплава смешанный порошок титана-магния, который затем спекают в глубоком вакууме при высокой температуре. Полученное таким образом пористое титановое покрытие, не содержащее оксида, имеет толщину более 0,5 мм, обнаруживает систему открытых и сообщающихся пор размером 30-200 мкм, плотностью 30-65%, при этом сила его сцепления с матрицей составляет 60 Мпа, а модуль упругости - 30-50 ГПа. Способ обеспечивает увеличение прочности и продолжительности срока службы имплантатов, несущих большую нагрузку, таких как искусственные суставы, искусственные кости, корни искусственных зубов и т.п. Холодное напыление с одновременным поддержанием вакуума, а также последующее спекание в глубоком вакууме при высокой температуре - сложные энергозатратные операции, требующие использования дорогостоящего оборудования. Кроме того, известный способ не обеспечивает формирование в поверхностном слое титана двухуровневой микро- и нанопористой структуры.A known method of obtaining a porous titanium coating (CN 101032633, publ. 2007.09.12), providing for cold spraying in vacuum by subsequent sintering, according to which first mixed titanium-magnesium powder is sprayed onto a relief base from titanium or its alloy, which is then sintered in high vacuum at high temperature. Thus obtained porous titanium coating, not containing oxide, has a thickness of more than 0.5 mm, exhibits a system of open and communicating pores with a size of 30-200 μm, a density of 30-65%, while its adhesion to the matrix is 60 MPa, and the module elasticity - 30-50 GPa. The method provides an increase in the strength and durability of implants bearing a large load, such as artificial joints, artificial bones, roots of artificial teeth, etc. Cold spraying while maintaining a vacuum, as well as subsequent sintering in high vacuum at high temperature, are complex energy-consuming operations that require the use of expensive equipment. In addition, the known method does not provide for the formation in the surface layer of titanium of a two-level micro- and nanoporous structure.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения пористого покрытия на имплантатах из титана и его сплавов (RU 2620428, опубл. 2017.05.25), предусматривающий лазерную обработку поверхности в среде аргона при мощности излучения 400-500 Вт и заданной скорости поступательного перемещения лазерного луча по поверхности имплантата со скоростью 10-20 мм/с при одновременной подаче в зону облучения порошка карбида титана фракции, обеспечивающей размер пор 1-5 мкм, последующее травление поверхностного слоя, содержащего зерна карбида титана в титановой матрице, в концентрированной азотной кислоте в течение 3-7 суток, отмывание от кислоты и сушку при температуре 50-100°С.Closest to the claimed is a method of obtaining a porous coating on implants from titanium and its alloys (RU 2620428, publ. 2017.05.25), providing for laser surface treatment in argon at a radiation power of 400-500 W and a given speed of translational movement of the laser beam on the surface implant at a speed of 10-20 mm / s while simultaneously supplying to the irradiation zone a titanium carbide powder fraction providing a pore size of 1-5 μm, followed by etching of the surface layer containing grains of titanium carbide in titanium m atrica, in concentrated nitric acid for 3-7 days, washing off the acid and drying at a temperature of 50-100 ° C.

Полученное известным способом пористое покрытие на титановых эндопротезах и имплантатах не способствует в достаточной мере их быстрой ассимиляции и интеграции, а в случае его использования в качестве носителя при формировании композитных покрытий (например, каталитических, биоактивных и т.п.) не дает достаточно прочного сцепления наносимого материала с пористым покрытием в силу того, что известный способ обеспечивает формирование покрытия с простыми, причем близкими по размеру, порами, без выраженной иерархии пор по размерам.The porous coating obtained on the titanium endoprosthesis and implants obtained in a known manner does not sufficiently facilitate their rapid assimilation and integration, and if used as a carrier in the formation of composite coatings (for example, catalytic, bioactive, etc.), it does not provide sufficiently strong adhesion applied material with a porous coating due to the fact that the known method provides the formation of a coating with simple, and close in size, pores, without a pronounced hierarchy of pores in size.

Задачей изобретения является создание способа получения на титане пористого покрытия, структура которого обеспечивает высокую прочность сцепления с пропитывающим материалом при формировании композитных покрытий и быструю интеграцию имплантатов с таким покрытием.The objective of the invention is to provide a method for producing a porous coating on titanium, the structure of which provides high adhesion to the impregnating material during the formation of composite coatings and the rapid integration of implants with such a coating.

Технический результат изобретения заключается в увеличении площади поверхности пористого покрытия на титане за счет формирования иерархической структуры пористого слоя, включающей микро- и наноразмерные поры, что способствует повышению адгезии пропитывающего материала при получении композитных покрытий и увеличению скорости интеграции имплантатов.The technical result of the invention is to increase the surface area of the porous coating on titanium due to the formation of a hierarchical structure of the porous layer, including micro- and nanoscale pores, which helps to increase the adhesion of the impregnating material in the preparation of composite coatings and increase the speed of implant integration.

Указанный технический результат достигают способом получения пористого покрытия на титане, предусматривающим обработку его поверхности в среде аргона путем перемещения по ней лазерного пучка с одновременной подачей в зону облучения порошка карбида титана с последующим кислотным травлением путем погружения в азотную кислоту на несколько суток, промывание и сушку при температуре 50-100°С, в котором, в отличие от известного, используют лазерное излучение мощностью не более 300 Вт, лазерный луч перемещают по поверхности со скоростью не менее 20 мм/с, при этом используют порошок карбида титана фракции 80/100 мкм.The specified technical result is achieved by the method of obtaining a porous coating on titanium, providing for the treatment of its surface in argon by moving a laser beam along it with simultaneous feeding of titanium carbide powder into the irradiation zone, followed by acid etching by immersion in nitric acid for several days, washing and drying with at a temperature of 50-100 ° C, in which, in contrast to the known one, laser radiation with a power of not more than 300 W is used, the laser beam is moved along the surface at a speed of at least 20 mm / s, using a powder of titanium carbide fraction 80/100 microns.

Преимущественно используют лазерное излучение мощностью 250-270 Вт, а лазерный луч перемещают со скоростью 25-35 мм/с.Mainly use laser radiation with a power of 250-270 watts, and the laser beam is moved at a speed of 25-35 mm / s.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Очищенную соответствующим образом поверхность титанового изделия, помещенного в открытую емкость, подвергают воздействию лазерного пучка, поступательно перемещая его по обрабатываемой поверхности со скоростью не менее 20 мм/с, преимущественно, 25-35 мм/с, с одновременной подачей порошка карбида титана фракции 80/100 мкм в облучаемую зону, которая является зоной плавления титановой подложки, при ее непрерывной обдувке аргоном. Таким образом, весь процесс осуществляется в атмосфере аргона, который за счет своего большого удельного веса удерживается от быстрого улетучивания в атмосферу.The correspondingly cleaned surface of a titanium product placed in an open container is exposed to a laser beam, translationally moving it along the surface to be processed at a speed of at least 20 mm / s, preferably 25-35 mm / s, while supplying titanium carbide powder fraction 80 / 100 μm into the irradiated zone, which is the melting zone of the titanium substrate, while it is continuously blown with argon. Thus, the whole process is carried out in an argon atmosphere, which, due to its large specific gravity, is prevented from rapidly evaporating into the atmosphere.

В процессе лазерной обработки происходит плавление только поверхностного слоя титановой матрицы заданной толщины (температура плавления титана 1660°С) без плавления карбидного порошка, у которого температура плавления значительно выше (3100°С). В результате в поверхностном слое титанового сплава формируется композитный слой, состоящий из частиц карбида титана в титановой матрице.During laser processing, only the surface layer of a titanium matrix of a given thickness is melted (melting temperature of titanium is 1660 ° С) without melting of a carbide powder, in which the melting temperature is much higher (3100 ° С). As a result, a composite layer consisting of particles of titanium carbide in a titanium matrix is formed in the surface layer of the titanium alloy.

После травления обработанного изделия в азотной кислоте в течении 3-5 суток, в результате которого карбид титана полностью растворяется, а титановая матрица, благодаря способности к пассивации, остается в неизменном виде, изделие отмывают от кислоты в дистиллированной воде и сушат на воздухе при 50-100°С.After etching the treated product in nitric acid for 3-5 days, as a result of which the titanium carbide is completely dissolved, and the titanium matrix, due to the passivation ability, remains unchanged, the product is washed from acid in distilled water and dried in air at 50- 100 ° C.

Полученный пористый слой представлен на фиг. 1 и фиг. 2.The resulting porous layer is shown in FIG. 1 and FIG. 2.

На фиг. 1 показана поверхность титановых образцов после лазерной обработки с порошком TiC фракции 80/100 мкм и травления (а и б - снимки, сделанные с помощью оптического микроскопа при увеличении ×10 и ×40; в, г - снимки, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении ×30 и ×150).In FIG. Figure 1 shows the surface of titanium samples after laser processing with a TiC powder of 80/100 μm fraction and etching (a and b are images taken with an optical microscope at × 10 and × 40 magnification; c, d are images taken using a scanning electron microscope at magnification × 30 and × 150).

На фиг. 2 показана внутренняя поверхность микропор после лазерной обработки с порошком TiC фракции 80/100 мкм и травления (а, в, д - «крупные» микропоры размером 50-100 мкм; б, г, е - «мелкие» нанопоры размером 200-500 нм) при различном увеличении.In FIG. Figure 2 shows the inner surface of micropores after laser treatment with a TiC powder of the 80/100 micron fraction and etching (a, c, e - “large” micropores with a size of 50-100 microns; b, d, e - “small” nanopores with a size of 200-500 nm ) at various magnifications.

При попадании зерен карбида титана в расплав титана происходит диффузия углерода между двумя фазами: твердыми частицами карбида титана TiC и расплавом титана.When titanium carbide grains enter the titanium melt, carbon diffusion occurs between two phases: solid particles of titanium carbide TiC and molten titanium.

Однако при заявляемых параметрах обработки: ограниченной мощности лазерного облучения, не превышающей 300 Вт, и высокой скорости перемещения лазерного луча (не менее 20 мм/с), во-первых, обеспечивается сравнительно низкая температура модифицированного поверхностного слоя, достаточная для плавления титана, но недостаточная для активной диффузии частиц карбида титана в титановую матрицу, и, во-вторых, высокая скорость нагрева и охлаждения и, соответственно, высокая скорость плавления и кристаллизации локальной зоны обрабатываемой поверхности, в результате чего процессы диффузии и активного перераспределения углерода, начавшиеся на границе раздела двух фаз - расплава металлического титана и твердого карбида титана, быстро прекращаются.However, with the claimed processing parameters: limited laser irradiation power not exceeding 300 W and a high speed of the laser beam (at least 20 mm / s), firstly, a relatively low temperature of the modified surface layer is sufficient to melt titanium, but insufficient for the active diffusion of titanium carbide particles into the titanium matrix, and, secondly, a high heating and cooling rate and, accordingly, a high melting and crystallization rate of the local zone of the surface treated ti, whereby the diffusion processes and redistribution of the active carbon, which began at the interface of two phases - a melt titanium metal and solid titanium carbide, terminated quickly.

При повышении мощности и выходе за пределы заявляемого интервала наблюдается интенсивный нагрев обрабатываемого поверхностного слоя, что может привести к интенсивному растворению карбида титана в титановой матрице.With increasing power and going beyond the claimed range, intense heating of the processed surface layer is observed, which can lead to intensive dissolution of titanium carbide in the titanium matrix.

При снижении скорости перемещения лазерного пучка увеличивается продолжительность локального поддержания высокой температуры и активного взаимодействия двух вышеупомянутых фаз с перераспределением углерода.With a decrease in the speed of movement of the laser beam, the duration of local maintenance of high temperature and active interaction of the two above-mentioned phases with redistribution of carbon increases.

Кроме того, использование относительно крупной фракции порошка карбида титана (80/100 мкм) со сравнительно низкой поверхностной энергией частиц также приводит к замедлению скорости процессов диффузии и перераспределения углерода между фазами титана и карбида титана в сравнении с процессами, протекающими при использовании более тонкодисперсных порошков карбида титана при тех же условиях обработки.In addition, the use of a relatively large fraction of titanium carbide powder (80/100 μm) with a relatively low surface energy of the particles also slows down the rate of diffusion and redistribution of carbon between the phases of titanium and titanium carbide in comparison with the processes using finely dispersed carbide powders titanium under the same processing conditions.

Таким образом, благодаря вышеупомянутому сочетанию параметров предлагаемого способа, формирование пористого слоя на титане протекает в условиях, препятствующих завершению процесса растворения карбида титана и перераспределения углерода, и приводит к образованию между частицами карбида титана и окружающей их титановой матрицей специфической «наношероховатой» поверхности раздела.Thus, due to the above combination of parameters of the proposed method, the formation of a porous layer on titanium proceeds under conditions that impede the completion of the dissolution of titanium carbide and redistribution of carbon, and leads to the formation of a specific "nano-rough" interface between the particles of titanium carbide and the surrounding titanium matrix.

После вытравливания карбида титана на поверхности титанового изделия получают пористый иерархически структурированный («двухуровневый») поверхностный слой толщиной 200-300 мкм с преимущественным размером крупных пор 50-100 мкм и 200-500 нм для пор второго уровня, образующихся на внутренней поверхности крупных пор, как показано на фиг. 2.After etching of titanium carbide on the surface of the titanium product, a porous hierarchically structured (“two-level”) surface layer is obtained with a thickness of 200-300 μm with a predominant large pore size of 50-100 μm and 200-500 nm for second-level pores formed on the inner surface of large pores, as shown in FIG. 2.

Примеры конкретного осуществления способаExamples of specific implementation of the method

Для обработки поверхности образцов применяли универсальный роботизированный комплекс лазерной порошковой наплавки, состоящий из робота KUKAKR 30-3НА, системы управления KUKA KRC4, позиционера KUKADKP-400, иттербиевого волоконного лазера ЛС-1-К с мощностью непрерывного лазерного излучения от 100 до 1000 Вт (длина волны λ=1,070 мкм). Параметры обработки: диаметр лазерного пучка на обрабатываемой поверхности составлял 0,6 мм, шаг смещения лазерного пучка между проходами - 0,5 мм, расстояние от плоскости сопла до обрабатываемого объекта - 10 мм. Варьируемыми параметрами являлись мощность лазерного излучения и линейная скорость перемещения лазерного пучка по поверхности. Обработке подвергали титановые образцы, горизонтально закрепленные в специальной, открытой сверху, емкости для удержания аргона.The surface of the samples was treated using a universal robotic complex for laser powder deposition, consisting of a KUKAKR 30-3NA robot, a KUKA KRC4 control system, a KUKADKP-400 positioner, and an LS-1-K ytterbium fiber laser with a continuous laser power of 100 to 1000 W (length waves λ = 1,070 μm). Processing parameters: the diameter of the laser beam on the treated surface was 0.6 mm, the step of the displacement of the laser beam between the passages was 0.5 mm, the distance from the nozzle plane to the processed object was 10 mm. The variable parameters were the laser radiation power and the linear velocity of the laser beam moving along the surface. Titanium samples were horizontally mounted in a special container open on top to hold argon.

Использован порошок карбида титана с размером частиц 80/100 мкм.A titanium carbide powder with a particle size of 80/100 microns was used.

Поверхность полученного покрытия исследовали на сканирующем электронном микроскопе высокого разрешения Hitachi S5500 с приставкой для энергодисперсионного анализа Thermo Scientific, на сканирующем электронном микроскопе ZeisEVO 40XVPc приставкой INCA 350 Energy, а также на оптическом микроскопе. Средние размеры микропор и толщину пористого слоя оценивали с помощью графических опций, которыми оснащены программные пакеты к данным приборам.The surface of the obtained coating was examined on a Hitachi S5500 high-resolution scanning electron microscope with a Thermo Scientific energy dispersion attachment, INCA 350 Energy on a ZeisEVO 40XVPc scanning electron microscope, and an optical microscope. The average micropore sizes and the thickness of the porous layer were estimated using the graphic options that the software packages for these devices are equipped with.

Пример 1Example 1

Пластины размером 40×20×2 мм из технически чистого титана - сплава ВТ1-0 (%, Ti 98,6-99,7, Fe до 0,18, С до 0,07, Si до 0,1) обрабатывали в атмосфере аргона с продувкой при мощности лазерного излучения 250 Вт, перемещая луч со скоростью 25 мм/с. Травление осуществляли путем погружения в концентрированную (36,5%) азотную кислоту в течение 3 суток. Образцы отмывали от кислоты в дистиллированной воде и сушили на воздухе при 50°С.Plates 40 × 20 × 2 mm in size made of technically pure titanium - VT1-0 alloy (%, Ti 98.6-99.7, Fe up to 0.18, C up to 0.07, Si up to 0.1) were processed in the atmosphere argon with a purge at a laser power of 250 W, moving the beam at a speed of 25 mm / s. Etching was carried out by immersion in concentrated (36.5%) nitric acid for 3 days. Samples were washed from acid in distilled water and dried in air at 50 ° C.

Толщина полученного пористого покрытия 200-250 мкм. Размер микропор 80-100 мкм, нанопор - 300-500 нм.The thickness of the obtained porous coating is 200-250 microns. The micropore size is 80-100 microns, nanopores - 300-500 nm.

Пример 2Example 2

Пластины размером 40×20×2 мм из технически чистого титана обрабатывали в условиях примера 1 при мощности лазерного излучения 270 Вт, перемещая лазерный пучок со скоростью 30 мм/с. Травление, промывание и сушку осуществляли аналогично примеру 1.Plates of size 40 × 20 × 2 mm made of technically pure titanium were processed under the conditions of Example 1 at a laser radiation power of 270 W, moving the laser beam at a speed of 30 mm / s. Etching, washing and drying was carried out analogously to example 1.

Толщина полученного пористого покрытия - 250-300 мкм. Размер микропор 70-100 мкм, нанопор - 200-400 нм.The thickness of the obtained porous coating is 250-300 microns. The micropore size is 70-100 microns, nanopores - 200-400 nm.

Пример 3Example 3

Пластины из технически чистого титана обрабатывали в атмосфере аргона при мощности лазерного излучения 270 Вт, перемещая луч со скоростью 30 мм/с. Травление в концентрированной азотной кислоте осуществляли в течение 5 суток. После промывания пластины сушили на воздухе при 100°С.Plates of technically pure titanium were processed in an argon atmosphere at a laser radiation power of 270 W, moving the beam at a speed of 30 mm / s. Etching in concentrated nitric acid was carried out for 5 days. After washing, the plates were dried in air at 100 ° C.

Толщина полученного пористого покрытия 270-300 мкм. Размер микропор 80-110 мкм, размер нанопор - 150-500 нмThe thickness of the obtained porous coating 270-300 microns. The micropore size is 80-110 microns, the nanopore size is 150-500 nm

Claims (3)

1. Способ получения структурированного пористого покрытия на титане, включающий обработку поверхности титана в среде аргона путем перемещения по ней лазерного пучка с одновременной подачей в зону облучения порошка карбида титана, последующее кислотное травление путем погружения в азотную кислоту на 3-5 суток, промывание и сушку при температуре 50-100°С, отличающийся тем, что используют лазерное излучение мощностью не более 300 Вт, лазерный пучок перемещают по поверхности со скоростью не менее 20 мм/с, при этом используют порошок карбида титана фракции 80/100 мкм.1. A method of obtaining a structured porous coating on titanium, comprising treating a titanium surface in an argon medium by moving a laser beam along it while simultaneously supplying titanium carbide powder to the irradiation zone, subsequent acid etching by immersion in nitric acid for 3-5 days, washing and drying at a temperature of 50-100 ° C, characterized in that they use laser radiation with a power of not more than 300 W, the laser beam is moved on the surface at a speed of at least 20 mm / s, while using titanium carbide powder fractions of 80/100 microns. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют лазерное излучение мощностью 250-270 Вт.2. The method according to claim 1, characterized in that they use laser radiation with a power of 250-270 watts. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что лазерный пучок перемещают по поверхности со скоростью 25-35 мм/с.3. The method according to claim 1, characterized in that the laser beam is moved along the surface at a speed of 25-35 mm / s.
RU2017128383A 2017-08-08 2017-08-08 Method for obtaining structured porous coating on titanium RU2669257C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017128383A RU2669257C1 (en) 2017-08-08 2017-08-08 Method for obtaining structured porous coating on titanium

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017128383A RU2669257C1 (en) 2017-08-08 2017-08-08 Method for obtaining structured porous coating on titanium

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2669257C1 true RU2669257C1 (en) 2018-10-09

Family

ID=63798504

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017128383A RU2669257C1 (en) 2017-08-08 2017-08-08 Method for obtaining structured porous coating on titanium

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2669257C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101032633A (en) * 2007-04-13 2007-09-12 西安交通大学 Composite technique of preparing lacunaris titanium coating by using cold spraying and vacuum sintering
US20090092881A1 (en) * 2006-02-28 2009-04-09 Naoki Ito Proton conducting electrolyte and electrochemical cell using same
CN104800887A (en) * 2014-01-24 2015-07-29 苏州博恩瑞科生物材料有限公司 Porous titanium coating, titanium-containing multi-coating, preparation method and application thereof
RU2620428C1 (en) * 2016-04-28 2017-05-25 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) Method of obtaining coating on implants from titanium and its alloys

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090092881A1 (en) * 2006-02-28 2009-04-09 Naoki Ito Proton conducting electrolyte and electrochemical cell using same
CN101032633A (en) * 2007-04-13 2007-09-12 西安交通大学 Composite technique of preparing lacunaris titanium coating by using cold spraying and vacuum sintering
CN104800887A (en) * 2014-01-24 2015-07-29 苏州博恩瑞科生物材料有限公司 Porous titanium coating, titanium-containing multi-coating, preparation method and application thereof
RU2620428C1 (en) * 2016-04-28 2017-05-25 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) Method of obtaining coating on implants from titanium and its alloys

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fomin et al. Composition, structure and mechanical properties of the titanium surface after induction heat treatment followed by modification with hydroxyapatite nanoparticles
Tavangar et al. Synthesis of bio-functionalized three-dimensional titania nanofibrous structures using femtosecond laser ablation
Tan et al. Advances in fabrication of TiO 2 nanofiber/nanowire arrays toward the cellular response in biomedical implantations: a review
US20120128932A1 (en) Structured Surfaces for Implants
Chernozem et al. Influence of anodization time and voltage on the parameters of TiO2 nanotubes
KR100751505B1 (en) Hydroxyapatite coatings with excellent bio-compatibility and preparation method thereof
Wang et al. Enhancing orthopedic implant bioactivity: refining the nanotopography
Gopi et al. Development of lotus-like hydroxyapatite coating on HELCDEB treated titanium by pulsed electrodeposition
Hu et al. Sectioning studies of biomimetic collagen-hydroxyapatite coatings on Ti-6Al-4V substrates using focused ion beam
Lee et al. Precipitation of bone-like apatite on anodised titanium in simulated body fluid under UV irradiation
Tsai et al. Surface modification induced phase transformation and structure variation on the rapidly solidified recast layer of titanium
Fomin et al. Micro-and nanostructure of a titanium surface electric-spark-doped with tantalum and modified by high-frequency currents
Ahounbar et al. Characteristics of the hierarchical porous TiO2 layer synthesized on Ti via plasma electrolytic oxidation: Role of the applied voltage
Lee et al. Ultraviolet-assisted biomimetic coating of bone-like apatite on anodised titanium for biomedical applications
Fomin et al. Chemical Composition, Structure, and Properties of the Surface of Titanium VT1-00 and Its Alloy VT16 after Induction Heat Treatment
Lin et al. Biomedical evaluation of vacuum plasma sprayed tantalum coatings processed by alkali treatment and alkali-heat treatment with different NaOH concentrations
Park et al. Electrophoretic deposition of carbon nanotubes over TiO 2 nanotubes: evaluation of surface properties and biocompatibility
Lv et al. Study on bioactivity of SLMed variable gradient TC4 biomedical porous scaffolds with micro-arc oxidation treatment
Farber et al. Development of the titanium meshes by selective laser melting and chemical etching for using as medical implants
RU2669257C1 (en) Method for obtaining structured porous coating on titanium
Chabuk et al. the surface modification of pure titanium by micro-arc oxidation (MAO) process
Sun et al. The influence of electrolytic concentration on the electrochemical deposition of calcium phosphate coating on a direct laser metal forming surface
RU2620428C1 (en) Method of obtaining coating on implants from titanium and its alloys
JP5634516B2 (en) Mechanically stable coating
Pedeferri Titanium anodic oxidation: a powerful technique for tailoring surfaces properties for biomedical applications