[发明专利]表面复合梯度耐磨陶瓷涂层的钛合金关节头的制备方法

说明书

本发明公开了一种表面复合梯度耐磨陶瓷涂层的钛合金关节头的制备方法。所述的耐磨陶瓷涂层以高韧性的TC₄钛合金作为基体材料，钛和铝的反应物作为中间粘结层，氧化铝陶瓷层作为外部耐磨涂层。所述方法先将铝粉通过机械球磨冷焊到钛合金关节头基体上，再将钛合金关节头进行真空热处理，形成钛铝反应层，最后利用等离子体电解氧化技术将铝氧化为氧化铝陶瓷层。本发明不仅保持了钛合金关节头基体的韧性，又显著增强了其耐磨性，中间层为基体和陶瓷层提供了良好的粘结作用。

技术领域

本发明属于表面处理技术领域，涉及钛合金表面改性处理，具体涉及一种表面复合梯度耐磨陶瓷涂层的钛合金关节头的制备方法。

背景技术

钛合金由于其优异的性能，如高强度重量比、耐腐蚀性能优异和生物相容性好等，被广泛用于航空航天、海洋、生物医学等领域。然而，钛合金耐磨性差和低硬度的缺点严重限制了钛合金的广泛应用。传统涂覆处理是采用电镀(Electroplating)、化学镀(Electroless plating)、包埋法(Pack cementation)、低氧压熔结(Lowoxygenpressurefusion)、热喷涂(Thermal spraying)、气相沉积(Vapor deposition)及激光熔覆(Lasercladding)，这些方法主要通过提高钛合金表面的硬度来改善耐磨性能，但制备的涂层与基体材料的界面结合性不好，涂层易脱落，性能不稳定，更无法在球形的钛合金关节头上制备粘结性能好的耐磨梯度涂层。

目前使用的人造髋关节主要由其组成整体氧化铝或氧化铝-氧化锆复合材料的股骨头铰接交联髋臼杯或Co-Cr合金的聚乙烯内衬以自配合构造。然而，陶瓷或其复合材料的人造关节容易断裂失效，PE磨屑易引起骨质溶解，由金属离子释放引起的过敏问题不能被消除。

机械合金化技术是在高能球磨的条件下，将金属粉末混合物反复挤压、变形、断裂和焊接，从而实现原子间的相互扩散。该技术可以在铝镁钛等阀金属及其合金的表面处理中得到应用。机械合金化技术也能在钛合金表面制得陶瓷涂层，但是表面粗糙多孔，陶瓷层粘着力差、易脱落。等离子电解氧化(Plasma Electrolytic Oxidation,PEO)技术，又称为微弧氧化技术，是在高电压下，通过激烈的放电击穿将金属表面快速转变为陶瓷的技术。用单一的等离子体电解氧化技术在钛合金关节头表面制得的陶瓷涂层很薄，不利于实际应用。

专利CN104841018A在钛合金基材上采用机械合金化和烧结相结合的方式，在钛合金基材上制备了以钛合金为基体，钛合金和羟基磷灰石为中间层，羟基磷灰石为生物表层的涂层。此方法能制备梯度涂层，但是技术工艺复杂，陶瓷层并不是中间层原位生长的，粘结性能差。

专利CN105458271A在钛合金基材上采用机械合金化和热处理相结合的方法，在钛合金基材上制备了钛基复合材料，涂层中包含有均匀分布的TiC为增强相。该制备方法中，涂层和基体有良好的冶金结合。但是这种复合涂层耐磨性差，涂层成分复杂，成本较高。

专利CN012560595A公开了一种在钛合金表面利用等离子电解氧化技术，制备羟基磷灰石和多孔二氧化钛复合涂层的方法。采用双脉冲电源，在钛合金表面先微弧氧化一层二氧化钛涂层，再利用水热法在多孔二氧化钛表面生长羟基磷灰石，但是涂层厚度不足20μm。

专利CN104562146A公开了一种等离子电解氧化在钛合金人工关节头上织构化和填孔处理的陶瓷涂层。然而，所制得的涂层厚度只有10～35μm，陶瓷涂层和基体的结合强度差，易脱落。

发明内容

本发明针对钛合金关节头表面硬度低、耐磨涂层制备方法困难和耐磨涂层粘结性能差等问题，提供了一种表面复合梯度耐磨陶瓷涂层的钛合金关节头的制备方法。

本发明的技术方案如下：