[go: up one dir, main page]

CN110938816B - 一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层及其应用 - Google Patents

一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN110938816B
CN110938816B CN201911078352.8A CN201911078352A CN110938816B CN 110938816 B CN110938816 B CN 110938816B CN 201911078352 A CN201911078352 A CN 201911078352A CN 110938816 B CN110938816 B CN 110938816B
Authority
CN
China
Prior art keywords
coating
laser
substrate
powder
ceramic coating
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
CN201911078352.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110938816A (zh
Inventor
刘德福
陈涛
王昊君
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.)
Central South University
Original Assignee
Central South 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 Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN201911078352.8A priority Critical patent/CN110938816B/zh
Publication of CN110938816A publication Critical patent/CN110938816A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110938816B publication Critical patent/CN110938816B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • 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
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • 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
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/04—Metals or alloys
    • A61L27/06—Titanium or titanium alloys
    • 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
    • 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
    • A61L2430/24—Materials or treatment for tissue regeneration for joint reconstruction

Landscapes

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

Abstract

本发明涉及激光熔覆技术领域，特别是涉及一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层及其应用。所述制备方法为：将碳氮化钛粉末、纳米二氧化硅粉末与纳米碳化硅粉末按质量分数的72.5‑77.5％、20wt.％与2.5‑7.5％的比例进行配取，然后将配取的各原料经球磨混合处理，混合均匀后，制成浆料，再将浆料涂敷在基底上，干燥，得到带有预制粉末层的基底；采用激光熔覆技术，对基底上的预制层进行处理，得到SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层。本发明所制备的涂层与基体呈现良好的冶金结合，组织致密缺陷少并以颗粒晶为主，经过测试该激光熔覆涂层具有较好的断裂韧性和耐磨性。

Description

一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层及其应用
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，特别是涉及一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层及其应用。
背景技术
钛合金具有良好的力学性能、耐腐蚀性能以及生物相容性，常被用于牙科移植、骨植入以及人工关节置换等领域。但钛合金的硬度与耐磨性能较差，限制了其在生物医疗领域的应用。表面改性技术能有效提高钛合金的表面性能，且保留其原有优异的力学性能。激光熔覆技术是一项先进的表面改性技术，常被用于钛合金表面改性。
激光熔覆涂层可以根据熔覆材料的不同分为：金属基涂层与陶瓷涂层。常用的金属基合金粉末主要有：Fe基、Ni基与Co基等自熔性合金粉末。在已有的一些研究中，为了增强金属基涂层的硬度与耐磨性能，通常会在涂层的熔覆材料体系中添加陶瓷粉末作为二次增强相，制备出具有良好耐磨性能的陶瓷颗粒增强金属基涂层。但是，金属基涂层的耐腐蚀性能较差，在体内环境中容易受到腐蚀，释放出的金属离子会对人体产生毒害作用，不适合作为人工关节表面涂层。陶瓷涂层具有高硬度、高耐磨性以及优良的耐腐蚀性能，且不会产生毒性离子。其中生物陶瓷材料是一种专门应用于生物医学方面的材料。激光熔覆生物陶瓷涂层可按照其在体内的功能分为：生物活性陶瓷涂层和生物惰性陶瓷涂层。前者主要是改善钛合金表面的生物活性，后者主要是提高钛合金表面的耐磨性能。碳氮化钛具有高硬度、优异的耐磨与耐腐蚀性，以及良好的化学稳定性且无毒，是潜在的可用于人体承载与摩擦磨损环境中的材料。在激光熔覆过程中，由于熔覆粉末与基体表层的加热与冷却速度极快，熔池内会形成极大的温度梯度，会导致涂层内部容易出现残余应力。陶瓷涂层的脆性较大，当其在摩擦磨损环境中会受到压应力、冲击载荷以及疲劳循环应力等作用，一旦当涂层内部的应力超过涂层材料的抗拉极限后，该处涂层材料将会出现脆性断裂，从而产生裂纹，涂层内部裂纹容易扩展出现涂层剥落。所以，找到一种提高陶瓷涂层韧性的方法显得尤为重要。碳化硅具有高导热率、良好的抗热冲击性、耐化学腐蚀、低热膨胀系数等优点。其作为增强材料已取得了较好的增强效果。例如，刘兵等提供了一种真空烧结工艺制备亚微米级SiC颗粒增强Ti(C,N)基金属陶瓷材料方法，结果显示添加亚微米级SiC颗粒后Ti(C,N)基金属陶瓷材料断裂韧性提高。采用纳米碳化硅粉末增韧碳氮化钛陶瓷材料，工艺简单，易于规模化生产。
目前关于采用激光熔覆技术制备SiC颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层的技术还鲜有报道。
发明内容
为了解决陶瓷涂层脆性较大的问题，提出一种使用SiC纳米颗粒增强激光熔覆Ti(C,N)陶瓷涂层的制备方法，提高涂层的韧性及耐磨性能。
本发明一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层，所述激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层通过以下步骤制备：
步骤一
将碳氮化钛粉末、二氧化硅粉末与碳化硅粉末按质量分数的72.5-77.5％、20wt.％与2.5-7.5％的比例进行配取，然后将配取的各原料混合处理，混合均匀后，制成浆料，再将浆料涂敷在基底上，干燥，得到带有预制粉末层的基底；
步骤二
采用激光熔覆技术，对基底上的预制粉末层进行处理，得到SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层；
所述碳化硅粉末的粒径为10-100nm、优选为20-35nm；
所述二氧化硅粉末的粒径为10-100nm、优选为20-35nm。
本发明一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层的制备方法，所述碳氮化钛粉末的粒径为1-10μm。本发明中，当碳氮化钛粉末粒度范围为1-10μm、二氧化硅粉末粒度范围为25-35nm与碳化硅粉末粒度范围为25-35nm；所得到的涂层组织致密，涂层与基体呈现良好的冶金结合。
本发明一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层的制备方法，将配取的各原料，加入到球磨机中，以150-250rpm、优选为180-220rpm的转速进行球磨搅拌1-4小时、优选为1.5-2.5小时。
本发明一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层的制备方法，混合均匀后得到混合粉料；按体积质量比，1g混合粉料配取3-5ml、优选为3-4ml溶液，混合均匀，得到浆料；按每平方单层涂覆400-600g、优选为450-550g混合粉料的比例，将浆料涂覆到表面清洁干燥的基底上；干燥后，得到带有预制粉末层的基底。所述溶液选择聚乙烯醇水溶液。在配置浆料过程中，浆料浓度过大，不利于混合粉体的均匀分散，浓度过低，不利于涂覆和后续的激光熔覆。在工业上应用时，涂覆于基底上的一层预制粉末层的厚度优选为0.2-0.5mm、进一步优选为0.38-0.42mm。这是为了配合后期的激光熔覆。
作为优选方案，所述聚乙烯醇水溶液中，聚乙烯醇的浓度为0.5-5％vol、优选为2.8-3.2％vol、进一步优选为3％vol。
作为优选方案，所述基底经120目的SiC砂纸在金相打磨机上打磨后用于浆料涂覆。
作为优选方案，所述基底的材质为Ti6Al4V钛合金板。在工业应用时，将基底加工成设定尺寸，然后用120目的SiC砂纸打磨，随后将打磨后基底置于乙醇溶液与去离子水中进行超声清洗，去除表面的油污与杂质颗粒；然后经干燥处理，得到表面清洁干燥的基底。
作为优选方案，基底干燥的优选方案为在保护气氛下进行干燥或在封闭条件下进行自然干燥。
本发明所述的激光熔覆的工艺参数为：
激光功率450W；扫描速度7mm/s；光斑直径1mm；搭接率20％。氩气流量：10L/min。
本发明得到单层涂层后，还可以在涂层上依次重复涂覆、激光熔覆的工艺。
本发明所得涂层为耐磨陶瓷涂层。
本发明所得涂层中，当涂层的厚度为0.4mm时，基底为Ti6Al4V钛合金时，涂层的断裂韧性为：3.8-4.8Mpa.m1/2；涂层在90min后的体积磨损量为：49-104.5×10-3mm3。
当涂层中含有5wt％的SiC纳米颗粒时，其具有良好的生物相容性，可用作生物医药材料。
本发明所得涂层中，组织致密、缺陷少并以颗粒晶为主。
本发明提供的激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层的制备方法具有以下优点：
1.本发明以适量的碳氮化钛与二氧化硅、碳化硅3种陶瓷粉末作为初始熔覆材料，无生物毒性，其中低熔点的二氧化硅能促进熔池内粉末颗粒的流动性；进而为得到高品质涂层提供了必要条件。
2.本发明在Ti6Al4V基体表面激光熔覆制备出Ti(C,N)陶瓷涂层，大幅度提高了基体表面的显微硬度与耐磨性能；
3.本发明在初始熔覆材料中加入了不同含量的SiC纳米颗粒，对涂层的断裂韧性有了不同程度的提高。
此外，激光熔覆工艺参数会影响到熔覆层的宏观形貌、成形质量以及显微硬度。为了获得成形质量与性能良好的涂层，需要选择合适的激光熔覆工艺参数。激光熔覆工艺参数主要包括：激光功率、扫描速度、光斑直径与搭接率等。这些工艺参数的变化都会造成激光比能的变化。当激光比能过大时，会导致稀释率过大，从而影响涂层的力学性能。当激光比能过小时，容易导致涂层与基体之间结合力较低，涂层容易剥落。因此，本发明所述的激光熔覆的工艺参数为：激光功率450W；扫描速度7mm/s；光斑直径1mm；搭接率20％；氩气流量：10L/min。在该条件参数下，所得产品的性能大大超出了实验预计。
附图说明
图1为本发明实施例一制备的激光熔覆涂层的SEM显微结构图。
图2为本发明实施例二制备的激光熔覆涂层的SEM显微结构图。
图3为本发明实施例三制备的激光熔覆涂层的SEM显微结构图。
图4为本发明所用Ti6Al4V基体和实施例制备的激光熔覆涂层的体积磨损量图。
图5为本发明实施例和对比例中，摩擦磨损试验台示意图；
图6为本发明实施例和对比例中，断裂韧性测量示意图；
图7为对比例系列1所得产品的形貌图；
图8为系列案例2所得产品的形貌图；
图9为对比例系列3所得产品的形貌图；
图10为实施2所得产品用于培养MG63细胞的增殖情况图；
图11为实施2所得产品的细胞相容性试验表征图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明提供的激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层的制备方法进行详细说明。
本发明具体实施方式中：
使用HT-1000型摩擦磨损试验仪在模拟体液(SBF)的磨损试验环境中对涂层的摩擦磨损性能进行测试。试验前所有样品表面均用SiC砂纸打磨至600#。磨损试验用对磨球为直径为5mm的钨钴合金球。磨损测试的试验参数为载荷20N，磨损时间60min，旋转速度200rpm，旋转半径5mm，温度36.5±1℃。摩擦磨损试验台示意图如图5所示
体积磨损量由公式V＝2πA·r得出。其中，V(mm3)为样品的体积磨损量，A(mm2)为磨痕平均截面积，r为对磨球的旋转半径。使用VHX-5000型超景深三维显微镜对样品的磨痕截面积进行测量，每个样品测量8次，取平均值作为磨痕平均截面积A。
使用HVS-5型数显维氏硬度计在涂层截面上压出压痕以及裂纹，
在多次调试后，最终确定所加载荷为5kgf，保载时间为20秒。在涂层横向截面的不同位置重复测试6次。
使用VHX-5000型超景深三维显微系统观测压痕的宏观形貌并拍照，下图所示。将所测量的数据带入公式KIC＝0.079P log(4.5a/c)/a3/2中计算，求出断裂韧性。其中，KIC(Mpa.m1/2)是断裂韧性，P(N)是所加载荷，c(μm)是裂纹平均半长，a(μm)是压痕对角线半长。
实施例一：
本实施例提供的激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层的制备方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤一：以Ti6Al4V钛合金作为激光熔覆的基体，在金相磨抛机上用SiC砂纸将Ti6Al4V基体表面打磨至120目，随后将钛合金基体分别置于乙醇溶液与去离子水中进行超声清洗，去除表面的油污与杂质颗粒。
步骤二：将碳氮化钛粉末(粒度为1-10微米)、二氧化硅粉末(粒度为25-35纳米)与碳化硅粉末(粒度为25-35纳米)按质量分数的77.5％、20wt.％与2.5％的比例称取并混合，用3％vol浓度的聚乙烯醇水溶液与预置粉末混合，将混合均匀的粉末混合物均匀地预置在Ti6Al4V基体表面，随后放置于封闭的容器内自然阴干。
步骤三：以氩气为保护气体，在激光熔覆工艺参数为：激光功率450W；扫描速度7mm/s；光斑直径1mm；搭接率20％；氩气流量：10L/min的条件下，在Ti6Al4V基体表面制备Ti(C,N)陶瓷涂层。
经断裂韧性与摩擦磨损测试，所得涂层的断裂韧性为：4.54Mpa.m1/2；涂层在90min后的体积磨损量为：51.66×10-3mm3；SEM显微结构如图1所示；体积磨损量如图4所示。
实施例二：
本实施例提供的激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层的制备方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤一：以Ti6Al4V钛合金作为激光熔覆的基体，在金相磨抛机上用SiC砂纸将Ti6Al4V基体表面打磨至120目，随后将钛合金基体分别置于乙醇溶液与去离子水中进行超声清洗，去除表面的油污与杂质颗粒。
步骤二：将碳氮化钛粉末(粒度为1-10微米)、二氧化硅粉末(粒度为25-35纳米)与碳化硅粉末(粒度为25-35纳米)按质量分数的75％、20wt.％与5％的比例称取并混合，用3％vol浓度的聚乙烯醇水溶液与预置粉末混合，将混合均匀的粉末混合物均匀地预置在Ti6Al4V基体表面，随后放置于封闭的容器内自然阴干。
步骤三：以氩气为保护气体，在激光熔覆工艺参数为：激光功率450W；扫描速度7mm/s；光斑直径1mm；搭接率20％；氩气流量：10L/min的条件下，在Ti6Al4V基体表面制备Ti(C,N)陶瓷涂层。
经断裂韧性与摩擦磨损测试，所得涂层的断裂韧性为：4.64Mpa.m1/2；涂层在90min后的体积磨损量为：49.68×10-3mm3；SEM显微结构如图2所示；体积磨损量如图4所示。MG63细胞在5％SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层和基底表面培养后的增值情况(MTT)细胞相容性试验表明，细胞可以在5％SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层表面正常增值，在涂层表面呈现梭形，随着时间的增长，细胞数量逐渐增多，到第5天时几乎的涂层表面全部覆盖有细胞。荧光染色结果看以看出，细胞在涂层表面呈现绿色，说明细胞均为活细胞。通过对增值情况(MTT)结果观察，从统计学角度考量，所制备的耐磨性能最好的5％SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层与Ti6Al4V基底的表面MG63细胞增殖情况相当，Ti6Al4V基底被是公认的具有良好细胞相容性的生物医用金属材料，因此，初步评估判断，5％SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层具有良好的生物相容性，具备植入人体作为人工关节面等硬组织替换植入物的潜力。见图11，图11的(a)为涂层表面细胞形貌(b)为涂层表面细胞荧光染色。
细胞相容性实验过程：将材料切割成10mm×10mm的正方形样品，放入24孔板中，加入配置好的低糖DMEM培养基、小牛血清等培养液，将MG63类成骨细胞种植在样品表面，密度为6000个细胞每毫升。在37℃培养箱中培养，分别取1、3、5天的样品并制作电镜和荧光染色样品分别观察，每两天换一次培养液。
样品取出后，用PBS缓冲液冲洗，2.5％戊二醛固定半小时，梯度酒精干燥，后喷金，用扫描电子显微镜观察细胞形貌。
样品取出后，用PBS缓冲液冲洗，加入荧光染色剂，在37℃培养箱中孵育20分钟，在荧光显微镜撒谎给你观察样品表面细胞增殖和黏附状况。将样品表面细胞用胰酶消化，加入四甲基偶氮唑盐在37℃培养箱中孵育4个小时后加入二甲亚砜震荡10min，用酶标仪测试细胞在570nm处的吸光度。见图10。
实施例三：
本实施例提供的激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层的制备方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤一：以Ti6Al4V钛合金作为激光熔覆的基体，在金相磨抛机上用SiC砂纸将Ti6Al4V基体表面打磨至120目，随后将钛合金基体分别置于乙醇溶液与去离子水中进行超声清洗，去除表面的油污与杂质颗粒。
步骤二：将碳氮化钛粉末(粒度为1-10微米)、二氧化硅粉末(粒度为25-35纳米)与碳化硅粉末(粒度为25-35纳米)按质量分数的72.5％、20wt.％与7.5％的比例称取并混合，用3％vol浓度的聚乙烯醇水溶液与预置粉末混合，将混合均匀的粉末混合物均匀地预置在Ti6Al4V基体表面，随后放置于封闭的容器内自然阴干。
步骤三：以氩气为保护气体，在激光熔覆工艺参数为：激光功率450W；扫描速度7mm/s；光斑直径1mm；搭接率20％；氩气流量：10L/min的条件下，在Ti6Al4V基体表面制备Ti(C,N)陶瓷涂层。
经断裂韧性与摩擦磨损测试，所得涂层的断裂韧性为：3.89Mpa.m1/2；涂层在90min后的体积磨损量为：104.46×10-3mm3；SEM显微结构如图3所示；体积磨损量如图4所示。
对比例系列1
其他条件和实施例2一致，不同之处在于：
在激光熔覆工艺参数为：激光功率400W；扫描速度7mm/s、5mm/s、9mm/s；光斑直径1mm、1.5mm、2mm；搭接率20％、30％、40％；氩气流量：10L/min的条件下，在Ti6Al4V基体表面制备Ti(C,N)陶瓷涂层；激光功率为400W；其所得产品如图7所示。
系列案例2
其他条件和实施例2一致；不同之处在于：
在激光熔覆工艺参数为：激光功率450W；扫描速度7mm/s、5mm/s、9mm/s；光斑直径1mm、1.5mm、2mm；搭接率20％、30％、40％；氩气流量：10L/min的条件下，在Ti6Al4V基体表面制备Ti(C,N)陶瓷涂层；激光功率为450W；其所得产品如图8所示；其中于实施例2完全重合的方案即为实施例2；其他的方案即可视为对比例；其所得产品如图8所示。
对比系列3；
其他条件和实施例2一致，不同之处在于：
在激光熔覆工艺参数为：激光功率500W；扫描速度7mm/s、5mm/s、9mm/s；光斑直径1mm、1.5mm、2mm；搭接率20％、30％、40％；氩气流量：10L/min的条件下，在Ti6Al4V基体表面制备Ti(C,N)陶瓷涂层；激光功率为500W；其所得产品如图9所示。
通过实施例和对比例对比发现：
涂层在P＝450W时具有最佳成形质量。当激光功率从400W增加到450W时，涂层成形质量变良好，但当激光功率继续增加到500W时，涂层质量却出现下降。当激光功率较小时，激光能量密度相对较小，在激光熔覆过程中，粉末熔化相对不充分，熔池内溶液的流动性差，因此容易出现涂层不连续以及表面不平整的现象，涂层内部容易产生缺陷；另外，由于激光光斑的能量分布属于高斯分布，光斑中心的能量密度远大于边缘的能量密度，当激光功率较小时，会出现光斑边缘能量不足的情况，因此会影响涂层搭接处的成形质量。当激光功率增大时，粉末熔化充分，熔池内溶液的流动性，因此涂层的连续性与平整性变好，搭接处质量得以提高，涂层内部缺陷减少。但当激光功率进一步增大时，由于激光能量密度过高，加粉末与基体的受热情况相差很大，因此粉末在受热过程中会出现较为严重的受热膨胀，从而会产生较多气孔，涂层内部不仅存在体积较大的气孔，且还存在气泡溢出表面后留下的缺陷。这些缺陷严重影响了涂层的连续性与平整性。此外，较高的激光能量密度使熔池内熔体对流加剧，从而使涂层厚度不均匀。同时还发现，涂层在P＝450W时具有最高的显微硬度。当激光功率从400W增加到450W时，涂层显微硬度略有提高，但当激光功率继续增加到500W时，涂层显微硬度明显下降。由于激光功率过高时，预置粉末与基体吸收的能量很高，基体的熔化量变大，造成涂层的稀释率变高，过多低硬度的基体稀释进入涂层后，会导致涂层显微硬度下降。
涂层在D＝1mm时具有最佳成形质量。涂层成形质量随光斑直径的增大而下降。由于激光的光斑能量属于高斯分布(即正态分布)，在相同的单位面积内，光斑越小，激光能量分布相对均匀，因此熔覆后的涂层具有良好的连续性与平整性。另外，由于激光能量密度相对均匀，在激光熔覆时，熔池内部的热胀差也相对较小，因此产生的气孔缺陷也较少。随着光斑直径的增大，光斑中心与边缘的激光能量密度差也增大，因此涂层的连续性与平整性下降，气孔缺陷增多。此外，由于光斑增大导致激光比能下降，激光功率较小试验组对应的涂层可能会出现熔化不充分甚至断层的现象。同时还发现，涂层在D＝1mm时具有最高的显微硬度。涂层显微硬度随光斑直径的增大而显著下降。较高的激光能量有利于熔解在熔池内部硬质相的流动与扩散，使复合涂层中的显微组织变得均匀，晶粒细化致密，这有利于涂层显微硬度的提升，而光斑直径增大而导致激光能量降低，显微硬度也随之降低。
涂层成形质量随搭接率的变化不明显，涂层在搭接率S＝20％时具有相对较好的成形质量。同时还发现，当搭接率从20％增加到30％时，涂层显微硬度降低；但当搭接率增加到40％时，涂层显微硬度又提高。涂层在搭接率S＝20％或40％时，涂层的显微硬度基本一致，但搭接率在20％时，涂层的显微硬度略高。
涂层在扫描速度V＝7mm/s时具有最佳成形质量。当扫描速度从5mm/s增加到7mm/s时，涂层成形质量变良好；但当扫描速度继续增大到9mm/s时，涂层质量却出现下降。由于扫描速度决定了激光辐照的时间长短，当扫描速度较慢时，激光辐照时间长，熔池相对较大，会将熔池周围的粉末也吸入熔池，导致激光束到达下一点时粉末不足，因此会出现涂层厚度不均的情况。而当扫描速度过快时，且在激光比能较小的情况下，粉末熔化时间较短，熔池未发生充分对流就已凝固，因此会出涂层表面不连续的情况。同时还发现，涂层在扫描速度V＝7mm/s时具有最高的显微硬度。当扫描速度从5mm/s增加到7mm/s时，涂层显微硬度提高。当扫描速度较慢时，激光作用在粉末与基体表面的时间变长，涂层的稀释率变大，因此涂层显微硬度降低。但当扫描速度继续增大到7mm/s时，涂层显微硬度反而降低。由于扫描速度过快，熔池对流不充分，涂层组织来不及均匀化就已凝固，因此显微硬度降低。

Claims (10)

1.一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层，其特征在于；所述激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层通过以下步骤制备：
步骤一
将碳氮化钛粉末、二氧化硅粉末与碳化硅粉末按质量分数的72.5-77.5％、20wt.％与2.5-7.5％的比例进行配取，然后将配取的各原料混合处理，混合均匀后，制成浆料，再将浆料涂敷在基底上，干燥，得到带有预制粉末层的基底；
步骤二
采用激光熔覆技术，对基底上的预制层进行处理，得到SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层；激光熔覆时，控制激光功率为450W、扫描速度7mm/s、光斑直径1mm、搭接率20％；
所述碳化硅粉末的粒径为10-100nm；
所述二氧化硅粉末的粒径为10-100nm。
2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层，其特征在于：所述碳氮化钛粉末的粒径为1-10μm。
3.根据权利要求1所述的一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层，其特征在于：将配取的各原料，加入到行星式球磨机中，以150-250rpm的转速进行球磨搅拌1-4小时。
4.根据权利要求1所述的一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层，其特征在于：混合均匀后得到混合粉料；按体积质量比，1g混合粉料配取2-6ml溶液，混合均匀，得到浆料；按每平方米单层涂覆400-600g混合粉料的比例，将浆料涂覆到表面清洁干燥的基底上；干燥后，得到带有预制粉末层的基底。
5.根据权利要求4所述的一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层，其特征在于：
所述溶液选择聚乙烯醇水溶液；涂覆于基底上的一层预制粉末层的厚度优选为0.2-0.5mm。
6.根据权利要求5所述的一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层，其特征在于：
所述聚乙烯醇水溶液中，聚乙烯醇的浓度为0.5-5％vol。
7.根据权利要求1所述的一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层，其特征在于：所述基底经120目的SiC砂纸在金相打磨机上打磨后用于浆料涂覆。
8.根据权利要求1所述的一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层，其特征在于：
所述基底的材质为Ti6Al4V钛合金板；
激光熔覆时，控制氩气的流量：10L/min。
9.根据权利要求1所述的一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层，其特征在于：
当涂层的厚度为0.4mm时，基底为Ti6Al4V钛合金时，涂层的断裂韧性为：3.8-4.8Mpa.m1/2；涂层在90min后的体积磨损量为：49-104.5×10-3mm3。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层的应用，其特征在于：当涂层中含有5wt％的SiC纳米颗粒时，其具有良好的生物相容性，可用作生物医药材料。
CN201911078352.8A 2019-11-06 2019-11-06 一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层及其应用 Active CN110938816B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911078352.8A CN110938816B (zh) 2019-11-06 2019-11-06 一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911078352.8A CN110938816B (zh) 2019-11-06 2019-11-06 一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层及其应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110938816A CN110938816A (zh) 2020-03-31
CN110938816B true CN110938816B (zh) 2021-05-11

Family

ID=69907453

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911078352.8A Active CN110938816B (zh) 2019-11-06 2019-11-06 一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110938816B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112142479B (zh) * 2020-09-04 2022-07-29 华侨大学 一种SiC@Ti（C,N）核壳结构陶瓷粉体的制备方法
CN113278903A (zh) * 2021-05-24 2021-08-20 吉林大学 激光辐照碳化硅颗粒增强锆基非晶合金表面的方法
CN114150309B (zh) * 2021-12-14 2023-08-29 长春工业大学 一种含钉扎结构强化层的铝基金属仿生表面及其制备方法
CN114717552B (zh) * 2022-05-11 2022-08-12 中南大学湘雅医院 一种涂层材料及其在医疗器械领域的应用
CN116479417A (zh) * 2022-05-17 2023-07-25 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种采用高速激光熔覆工艺制备陶瓷基复合涂层的方法
CN115429940B (zh) * 2022-08-30 2024-01-26 电子科技大学 一种增强生物活性涂层稳定性的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105002492A (zh) * 2015-07-27 2015-10-28 西安交通大学 一种利用异步送粉法进行激光熔覆制备陶瓷颗粒增强金属基复合涂层的方法
CN108103502A (zh) * 2018-01-29 2018-06-01 阳江市五金刀剪产业技术研究院 一种用于马氏体不锈钢的激光熔覆粉末

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6527849B2 (en) * 1990-06-19 2003-03-04 Carolyn M. Dry Self-repairing, reinforced matrix materials
US8790789B2 (en) * 2008-05-29 2014-07-29 General Electric Company Erosion and corrosion resistant coatings, methods and articles

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105002492A (zh) * 2015-07-27 2015-10-28 西安交通大学 一种利用异步送粉法进行激光熔覆制备陶瓷颗粒增强金属基复合涂层的方法
CN108103502A (zh) * 2018-01-29 2018-06-01 阳江市五金刀剪产业技术研究院 一种用于马氏体不锈钢的激光熔覆粉末

Also Published As

Publication number Publication date
CN110938816A (zh) 2020-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110938816B (zh) 一种激光熔覆SiC纳米颗粒增强Ti(C,N)陶瓷涂层及其应用
Prakash et al. Processing and characterization of novel biomimetic nanoporous bioceramic surface on β-Ti implant by powder mixed electric discharge machining
Casucci et al. Influence of different surface treatments on surface zirconia frameworks
Li et al. Effect of CeO2 and Y2O3 on microstructure, bioactivity and degradability of laser cladding CaO–SiO2 coating on titanium alloy
Li et al. Heat treatment effect on the mechanical properties, roughness and bone ingrowth capacity of 3D printing porous titanium alloy
CN111005019B (zh) 一种通过激光熔覆原位制备TiC/TiB耐磨涂层的方法
CN102618866B (zh) 一种增强钛合金表面激光熔覆层的方法
Sun et al. Simultaneously improving surface mechanical properties and in vitro biocompatibility of pure titanium via surface mechanical attrition treatment combined with low-temperature plasma nitriding
Shuai et al. Effect of nano‐zirconia on the mechanical and biological properties of calcium silicate scaffolds
CN106835126A (zh) 一种钛合金表面激光熔覆用陶瓷复合材料
CN111575703A (zh) 一种钛合金表面陶瓷增强石墨自润滑涂层及其制备方法
Zhang et al. Microstructure and biocompatibility of porous-Ta/Ti-6Al-4 V component produced by laser powder bed fusion for orthopedic implants
Shen et al. Improving the stability and bioactivity of micro-arc oxidized calcium phosphate/titania porous coatings by high energy shot peening pretreatment
WO2022088702A1 (zh) 含氧化层锆铌合金踝关节假体系统及制备方法
CN107557782A (zh) 钛合金表面激光原位合成TiBx‑TiN/Ti3Al复合涂层及制备方法
Zhou et al. Effect of laser power on anisotropic microstructure and mechanical behavior of biomedical Ti-35Nb-15Zr (at%) alloy fabricated by laser powder bed fusion
Lu et al. Microstructural inhomogeneity in plasma-sprayed hydroxyapatite coatings and effect of post-heat treatment
Esmaeili et al. In vitro corrosion and tribological behavior of multiwall carbon nanotube-coated Ti-6Al-4V/tantalum carbide surface for implant applications
Liu et al. Effect of SiC nanowires on adhesion and wear resistance of hydroxyapatite coating on AZ31 magnesium alloy
CN106994189B (zh) 介孔硅酸钙/聚醚醚酮复合材料及表面改性方法和应用
Seesala et al. A novel functional gradient hydroxyapatite coating for zirconia-based implants
CN113005443B (zh) 一种Ti5Si3纳米结构增强TiC生物陶瓷涂层及其制备方法和应用
Zhao et al. Boosting biotribological and biological properties of carbon fiber composites by grafting SiC nanowires and hydroxyapatite for hip joint application
Yun et al. Wollastonite coating on zirconia substrate by room temperature spray processing
CN114990546B (zh) 一种飞秒激光结合激光熔覆在TC4表面制备微纳米结构TixNb涂层的方法及应用

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