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多孔钛涂层的制备方法

  多孔材料是一种新型的结构与功能材料,它可以在较轻的重量下有效地发挥其力学性能与结构性能。与实体材料相比,这些特殊的轻质材料具有优良的综合力学性能。钛及钛合金具有低密度、高比强度、较宽的工作温度范围、良好的耐腐蚀性和生物相容性等优异性能。多孔泡沫钛及其合金融合了钛合金与多孔材料的特性,能够减轻材料的重量而不削弱其强度,同时保持高的韧性和耐腐蚀性。因此,泡沫钛及其合金在一些特殊领域具有重要的应用价值,特别是在生物医用行业,由于多孔钛兼有高生物相容性和优秀的机械性能,所以优势十分明显。相比整体多孔钛材,仅在表面进行多孔化处理的钛材具备更高的机械强度,可承受更大的生理负荷,因而在医学领域展现出更为广阔的应用前景。

  在钛合金基材表面附加一层多孔钛涂层就是一种表面多孔化的方法。已有报道,将钛粉置于真空环境中通过无压高温烧结法可以制备出多孔钛涂层,但是所得的涂层存在孔隙率低、弹性模量高的缺点。又据报道,将粗钛粉和细钛粉物理混合后,利用等离子喷涂技术也可以制备出多孔钛涂层,但该涂层存在氧含量高、孔形不规则和贯通孔过少等问题。

  最近,中国兵器科学研究院采用冷喷涂技术制备了Ti-Mg复合涂层,通过对该涂层中Mg的真空蒸馏实现多孔钛涂层的制备。他们采用自制的Ti粉和Mg粉,按80∶20的质量比物理混合后,作为该涂层的喷涂粉末。喷涂所选基体为TC4 牌号的钛合金(0.002% H,0.07% O,0.02% N,0.02% C,0.04% Fe,6.2% Al,4.1% V,Ti Bal)。采用高速高压冷喷涂设备制备Ti-Mg复合涂层,工作气体为N2,工作压力为3.0 MPa,气体加热温度为300℃,喷涂距离为25 mm。然后,采用真空烧结炉对喷涂态Ti-Mg复合涂层进行真空蒸馏,腔室压力为2.0~2.3 MPa,蒸馏温度为1100℃,蒸馏时间为2h。

  检测表明,所获涂层与基体的结合界面较为紧密,涂层的致密度较高,平均厚度为250μm左右,涂层中两种成分的分布较为均匀。经测定,涂层与基体的结合强度达到60 MPa,涂层孔隙率小于1%。利用能谱分析仪对表面进行成分分析,结果显示,涂层中的钛粒子没有明显的氧含量,表明冷喷涂技术很好地避免了钛粉的过度氧化,从而有利于保留喷涂粉末原有的化学成分;但涂层中的镁粒子发现存在较多的杂质,这主要是由于镁金属的活性过高,在大气中发生自然氧化所致。为使涂层多孔化,必须将喷涂态涂层中的镁成分去除,因此对喷涂态涂层进行了真空蒸馏。真空蒸馏后涂层的显微结构存在明显的贯通孔状结构,涂层的孔隙率达到了50%,孔径分布为30~100μm。涂层表面的能谱分析结果表明,涂层在真空蒸馏处理后只有钛元素成分存在,镁元素成分已经完全蒸馏。

  他们的工作证明,结合冷喷涂技术和真空蒸馏,可获得贯通型多孔结构的纯钛涂层。