[发明专利]一种电爆金属丝制备钽涂层的方法

说明书

本发明公开了一种电爆金属丝制备钽涂层的方法，属于热喷涂技术。通过气体放电模式，利用储能电容将大电流导入到金属丝两端，金属丝瞬时加热升温发生爆炸，产生电爆产物，电爆产物伴随冲击波喷射到基体表面快速凝固形成涂层。单次喷涂制备的涂层最大厚度为10μm。除制备高熔点的钽涂层之外，利用该方法还可制备钽‑镁复合涂层。本发明成本低、可制备难熔金属涂层、涂层与涂层以及涂层与基体之间实现冶金结合、涂层厚度可控。

技术领域

本发明涉及热喷涂技术领域，特别涉及一种电爆金属丝制备钽涂层的方法。

背景技术

钽具有优异的生物相容性、骨整合性能、耐腐蚀性以及断裂韧性，被称为“亲生物”金属，是骨植入体的优选材料。然而，相对较高的成本限制了块状钽在骨植入体中的广泛应用。为解决这一问题，在钛及其合金表面沉积钽涂层，赋予钛合金优异生物性能的同时降低植入体的加工成本。

钽较高的熔点(2980℃)使得常规的涂层制备方法难以制备满足需要的钽涂层。目前，钽涂层的主要制备方法有化学气相沉积、磁控溅射、激光熔覆、等离子喷涂。这些方法都存在一定的局限性。主要体现在以下几个方面：

(1)制备流程复杂、耗时较长。如，化学气相沉积法是将钽与氯气反应生成气态的TaCl₅。然后通过H₂将钽从气态中还原出来，沉积在基体上。磁控溅射法是利用离子撞击钽靶材，钽原子受到撞击飞出，沉积在基体表面。这两种主要制备方法都存在沉积速度慢，耗时长，制备流程复杂、钽材的利用率低的缺点，无法实现规模化生产。

(2)涂层质量不稳定。激光熔覆法是在钛的基体上熔覆一层钽涂层。由于基体表面受到热的影响，该方法制备的涂层易产生气泡、裂纹及变形等。

(3)界面结合强度不高。等离子喷涂因温度高、工艺简单、经济用于制备钽涂层。然而，涂层与基体之间未实现冶金结合，结合强度有限，这也限制了植入体的使用范围和寿命。

除以上制备方法之外，3D打印技术作为一种新的材料加工制备技术，在植入体表面制备钽涂层方面具有极大的优势。需要说明的是，3D打印技术所需的钽材为粉体。为满足流动性的需要，粉体的形状尽可能的接近球型，并且球型粉末尺寸必须满足一定范围的分布。钽较高的熔点使得常规的粉体技术难以制备满足3D打印需要的粉末。因此，利用3D打印技术在钛合金植入体表面制备钽涂层的成本高昂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电爆金属丝制备钽涂层的方法，通过气体放电模式将大电流导入到钽丝两端，钽丝加热升温发生爆炸，产生电爆产物，电爆产物伴随冲击波喷射到基体表面形成涂层。本发明将钽丝作为原材料，钽具有较好的韧性，便于丝材的加工。可见，电爆金属丝制备钽涂层，有效解决了涂层制备所需钽源的问题；更为重要的是该方法具有成本低、易控制、涂层与基体之间实现冶金结合的优点，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电爆金属丝制备钽涂层的方法，包括如下步骤：

步骤1：采用金属丝作为喷涂原材料：

步骤2：将金属丝缠绕在垂直式的聚乙烯的载丝毂及约束槽底部的中心位置，压丝杆将其压紧；

步骤3：电爆喷射沉积试验开始前，先将电能储存在电容器中，然后电容器放电，金属丝瞬时经历熔化、气化、逐渐膨胀的过程；

步骤4：在氩气保护气氛中进行电爆喷射沉积试验；

步骤5：单次可制备涂层的尺寸为6mm×80mm，单次涂层的最大厚度为10μm。

进一步地，步骤2的金属丝的两端分别于两电极之间保持2mm的间隙，两电极分别于储能电容的高压侧和低压侧连接，聚乙烯约束槽口与待喷涂试样表面之间的距离为6-15mm，聚乙烯约束槽为圆盘状结构，槽宽为6mm，槽深为10mm，相邻压丝杆之间的直线距离为80mm。