选区激光熔化成形Ti6Al4V合金的微弧氧化工艺及性能研究

发布时间：2020-05-24 06:40

【摘要】：Ti6Al4V合金因其良好的机械力学性能和生物相容性而被广泛应用于骨科植入材料领域,但由于其结构成分和理化性质与人体骨骼相差较远,导致Ti6Al4V合金的生物相容性相比于羟基磷灰石等生物陶瓷材料欠佳。为了使Ti6Al4V合金植入体的生物相容性得到进一步提高,本研究通过微弧氧化在Ti6Al4V合金植入体表面制备了含钙、磷的生物活性膜层。实验首先通过四因素三水平的正交实验探索出了利用微弧氧化技术在选区激光熔化(SLM)成形的Ti6Al4V合金植入体表面制备生物活性涂层的最佳电解液配方,并且进一步研究了不同电压对SLM成形钛合金植入体微弧氧化膜层的形貌及性能的影响,确定了SLM成形Ti6Al4V合金微弧氧化改性的最优电压。另外,为了得到与骨组织结构相匹配的SLM成形Ti6Al4V合金植入体,本实验设计了正八面体多孔结构的Ti6Al4V合金制件,并研究了不同孔径和孔隙率对多孔Ti6Al4V合金微弧氧化膜层的形貌、性能的影响。在此基础上,通过扫描电子显微镜(SEM),能量分散X射线光谱(EDS),X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱分析(XPS)等检测手段分析和研究了不同工艺下制备的Ti6Al4V合金微弧氧化膜层的显微结构、组织和成分等性能。并通过接触角测量和模拟体液(SBF)浸泡实验及后续的红外光谱分析(FT-IR)等检验涂层的生物活性。结果表明,经过微弧氧化表面改性的SLM成形Ti6Al4V合金表面均匀地形成了含一定钙磷比例且与基体结合良好的涂层。微弧氧化涂层的主要物相是锐钛矿型TiO_2。涂层的厚度、钙、磷含量、钙磷比以及锐钛矿组织含量均随电压的升高而增加。300V电压制备的涂层质量最佳,其润湿性相比SLM Ti6Al4V合金基体更好,膜层在SBF溶液中浸泡35天后,钙、磷比由0.73增加到1.2,并有羟基磷灰石生成。SLM成形的多孔Ti6Al4V合金试样经微弧氧化表面改性后生成了较薄的氧化钛膜层,膜层均匀分布在孔隙结构的内部,但不同的孔径、孔隙率对膜层的表、截面形貌影响不大。最后,通过生物相容性检测实验证明,经微弧氧化后的Ti6Al4V合金样品亲水性、SBF中诱导羟基磷灰石能力、蛋白吸附能力、细胞增殖能力等均有所提升,其生物相容性相对于原始基体得到明显提升。
【图文】：

大量的白色小火花并在氧化层表面快速移动。氧化膜不断形成和分解 ，通过阀金属和电解质气化直接形成了氧化物涂层，生长的涂层在薄弱形成多孔形貌。涂层生长过程中，，放电火花越来越剧烈，颜色逐渐转微弧转变为强弧。最后涂层厚度增长到一定极限，电击穿不再发生，火渐消失，微弧氧化结束[70][71]。钛合金微弧氧化的反应过程中涉及及到下：传统的阳极反应过程：Ti4++4e--→O2↑+2H2O+4e-传统的阴极反应过程：O++2e-→H2↑+2H2O 高温沉积过程：+4OH-→TiO2+2H2O

图 1-2 微弧氧化涂层截面 SEM 图Fig. 1-2 SEM of micro-arc oxidation coating section，微弧氧化的氧化钛膜层的生长机制为原位生长，因此具有化涂层为双层结构：内层为致密层，外层为多孔层,如图 1-致密，有效隔离了钛合金与模拟体液，避免了钛合金被腐蚀外层结构粗糙多孔，表面粗糙度较大，均匀分布的多孔结构可促进膜层与人体骨组织结合，利于植入后的恢复和愈合[8主要由金红石型和锐钛矿型两种氧化钛晶相构成[73]，两种氧在人体体液中均能发生矿化，易诱导生成与骨组织成分相近效促进骨整合和骨生长。用微弧氧化表面改性技术可以在钛合金表面生成含钙磷元素的表面处理技术相比结合力更强，成分均匀可控，可有效提和生物活性。因此，近年来国内外学者对钛及钛合金表面微
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.08;TG174.4

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本文编号：2678612