專利名稱：電泳共沉積—燒結(jié)法制備金屬/生物玻璃陶瓷梯度涂層技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在各類復(fù)雜形狀金屬表面制備金屬/生物活性玻璃/羥基磷灰石等系列梯度涂層復(fù)合材料及其制備方法。
在力學(xué)性能優(yōu)良的基體(特別是金屬基體)上制備陶瓷涂層，從而發(fā)揮基體材料和陶瓷材料的綜合優(yōu)勢，越來越引起廣泛關(guān)注。為了獲得性能優(yōu)良的涂層復(fù)合材料，將涂層設(shè)計成具有一定的組成和結(jié)構(gòu)梯度是很有必要的。為了達到這些目標，近幾年來，國內(nèi)外研究出許多方法來解決涂層的問題。如自蔓延高溫合成技術(shù)(SHS)、激光溶覆法、溶膠-凝膠(Sol-Gel)法等，但這些方法存在成本高、工藝復(fù)雜等問題。目前，應(yīng)用較多而又比較成熟的是等離子噴涂工藝，該方法為一線性工藝，且在噴涂過程中溫度很高，其應(yīng)用和涂層性能都受到較大的影響，另外，對復(fù)雜表面無法實現(xiàn)涂層。
本發(fā)明的目的是提供一種非線性涂層工藝，可以在形狀復(fù)雜和表面多孔的基體上制備出均勻涂層，該工藝具有成本低、工藝簡單；可連續(xù)生產(chǎn)，又可間歇操作；料液可循環(huán)利用，無污染物排放；適用于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點——電泳共沉積-燒結(jié)法。
電泳沉積(EPD)是指電泳和沉積兩個過程的綜合。電泳是指在外加電場的作用下，膠體粒子在分散介質(zhì)中做定向移動的現(xiàn)象；沉積是指微粒聚沉成較密集的質(zhì)團。事實上，對于電泳液而言，并不一定要求其為膠體，通過本研究的裝置，凡是由粒徑小于10μm且經(jīng)適當處理的粒子組成的膠體懸浮液分散體系，均適用于電泳沉積。對于膠體懸浮液分散體系，表現(xiàn)出來的性質(zhì)與膠體分散體系是相似的，因為在膠體懸浮液分散體系中，粒子具有雙電層結(jié)構(gòu)，且?guī)в袆与婋娢唬蚨?，在電場作用下能作定向移動，當其運動到作為電極的基體附近時，由于電解質(zhì)濃度的增加，或強電場作用下雙電層被壓縮，其結(jié)果相當于降低了電極附近顆粒的Zeta電位，從而導(dǎo)致粒子發(fā)生絮凝。而此時，粒子之間距離很小，粒子之間的倫敦-范德華吸引力占主導(dǎo)地位，從而在基體上形成緊密堆積的涂層。通過對涂層原料顆粒表面進行協(xié)調(diào)改性處理，可使其帶上同種電荷，根據(jù)其對電場的敏感程度，配合調(diào)節(jié)沉積電壓，可實現(xiàn)不同成分的顆粒在基體上先后沉積或共同沉積，從而獲得組成和孔結(jié)構(gòu)呈梯度變化的涂層坯體。由電泳沉積所制得的涂層僅為較緊密堆積的坯體，涂層與基體結(jié)合強度很低，通過燒結(jié)可增強涂層與基體的結(jié)合，同時也使坯體本身致密化。梯度涂層中無明顯的界面，從而使熱應(yīng)力得到了緩和，提高了涂層的結(jié)合強度和穩(wěn)定性。這是其它涂覆工藝結(jié)合熱處理所不能比擬的。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。


圖1，本發(fā)明工藝流程圖；圖2，本發(fā)明電泳共沉積裝置示意圖。
(1)-直流電源(帶脈沖)；(2)-電壓表；(3)-電流表；(4)-陰極；(5)-陽極；(6)-加液器；(7)-電泳槽；(8)-恒流泵；(9)-調(diào)節(jié)槽；(10)-磁力攪器(帶加熱)。
根據(jù)附圖2，對本發(fā)明作詳細的進一步說明。
首先根據(jù)待制的涂層復(fù)合材料對性能的要求，對涂層組成和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計；然后制備涂層粉料，篩選分散介質(zhì)，結(jié)合對涂層粉料在分散介質(zhì)中帶電特性的分析，對其進行表面改性。本發(fā)明主要以生物活性玻璃(BG)顆粒和HA顆粒作為涂層原料，在作為電極的基體(金屬)上實現(xiàn)共沉積，然后根據(jù)涂層原料的沉積狀況確定工藝參數(shù)(包括沉積電場，懸浮液濃度、組分的調(diào)節(jié)和攪拌狀態(tài))后，進行電泳共沉積。電泳沉積裝置能很好的實現(xiàn)梯度功能陶瓷涂層的制備。具體過程是通過恒流泵和溢流作用使粉漿在電泳槽內(nèi)自下而上流動，起到良好的攪拌、控制電泳液溫度和調(diào)節(jié)電泳液成分的作用，可保證電泳槽內(nèi)成分的連續(xù)變化。
根據(jù)涂層的梯度設(shè)計情況，將由內(nèi)層占優(yōu)的涂層原料(BG)制得的膠體懸浮液分散體系直接加入調(diào)節(jié)槽，其它涂層原料的膠體懸浮液分散體系由加液器加入，通過控制其加入的速度，即可按預(yù)先的設(shè)計連續(xù)改變電泳鍍液的成分和實現(xiàn)梯度涂層。
最后，按確定的溫度制度對涂層進行燒結(jié)處理(根據(jù)需要可選擇采用大氣氛中燒結(jié)、氣氛保護燒結(jié)和真空燒結(jié))，以強化涂層與基體的結(jié)合。
本發(fā)明采用電泳共沉積工藝成功的研制了Ti6A14V/BG/HA的生物活性玻璃-陶瓷梯度涂層復(fù)合材料，涂層與基體的結(jié)合強度可達20MPa以上。主要技術(shù)工藝如下1．涂層的設(shè)計首先研制了一種熔點較低，熱膨脹系數(shù)與Ti6A14V相近的Na2O-CaO-SiO2-P2O5系統(tǒng)生物活性玻璃(BG)，作為Ti6A14V和羥基磷灰石(HA)間的高溫粘結(jié)劑，通過BG和HA在涂層中的梯度分布，降低涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高涂層的結(jié)合強度。其次，利用誘導(dǎo)HA在BG表面的結(jié)晶而制得由HA“包裹”的BG顆粒，改變BG顆粒表面的帶電特性，實現(xiàn)了BG和HA在作為電極的Ti6A14V上的共沉積，以獲得梯度涂層。2．涂層原料的制備將研制的生物玻璃熔融，經(jīng)水碎和氣流粉碎后，在無水乙醇中采用重力沉降分級的方法制取3μm以下的BG粉料，然后分散于0.005M的Ca(NO3)2中，向該懸浮液中滴加0.003M的(NH4)2HPO4和NH4OH，控制溫度為40-50℃,pH=11-12，并不斷攪拌，發(fā)生如下反應(yīng)
反應(yīng)6小時后讓其在該溶液中陳腐一周，除去表面漂浮物，然后過濾并用蒸餾水沖洗。干燥后加入無水乙醇球磨，即可制得已知粉漿濃度的膠體懸浮液。
羥基磷灰石由復(fù)分解反應(yīng)方法制得將0.03M的(NH4)2HPO4逐滴滴加到0.05M的Ca(NO3)2中，并不斷攪拌，保持pH=11-12,T=65℃，反應(yīng)8h后，將母體溶液靜置10天，除去表面漂浮物后，過濾、用蒸鎦水沖洗，在真空干燥器中充分干燥后，再加入無水乙醇球磨，制得已知粉漿濃度的膠體懸浮液。3．電泳共沉積將所制BG懸浮液和HA懸浮液經(jīng)超聲分散半小時后，分別加入調(diào)節(jié)槽和加液器中，開通磁力攪拌器和恒流泵；以經(jīng)1500#SiC金相砂紙拋光、酸洗、丙酮超聲清洗、重蒸鎦水清洗、干燥后的Ti6A14V作為陰極，Pt為陽極，兩極間距1cm，沉積電壓為30V，待沉積30s后，通過分液漏斗向調(diào)節(jié)槽中添加HA懸浮液，調(diào)節(jié)好滴加速度，使在整個沉積過程中加入調(diào)節(jié)槽內(nèi)的HA懸浮液的體積能與起初加入的BG懸浮液的體積相當。共沉積1-7min，待沉積完畢后，取出試樣置于干燥器中干燥。4．燒結(jié)處理將已干燥的涂層試樣置于管式爐中在氬氣氛保護下進行燒結(jié)處理，處理溫度為850℃-1000℃，保溫1h，升溫速度＜3℃/min，降溫速度＜2℃/min。5．結(jié)果所制的HA改性BG粉所熔制的玻璃，其膨脹系數(shù)與Ti6A14V相匹配，是一種理想的涂層高溫粘接材料，以其和HA為原料采用電泳沉積，可實現(xiàn)BG和HA的共沉積，經(jīng)燒結(jié)，可獲得Ti6A14V/BG/AH梯度涂層。采用的工藝參數(shù)為沉積電壓為30V，沉積時間為5min，在氬氣氛保護下925℃對涂層進行燒結(jié)處理(保溫1h)后，可得到最佳厚度約為50μm的涂層，涂層與基體的結(jié)合強度可達20MPa以上；用電子顯微鏡對其斷面進行觀察和分析，證明涂層是嚴格意義上的梯度涂層。
權(quán)利要求
1．電泳共沉積-燒結(jié)法制備金屬/生物玻璃陶瓷梯度涂層技術(shù)，其特征在于首先對涂層粉料進行改性使所有的涂層原料能在作為電極的基體(金屬，如鈦合金等)上實現(xiàn)共沉積；通過連續(xù)改變涂層膠體懸浮液分散體系中不同組分的濃度，經(jīng)電泳共沉積制得梯度涂層，再經(jīng)燒結(jié)處理，得到較高結(jié)合強度的梯度生物陶瓷涂層。
2．根據(jù)權(quán)利要求所述的電泳共沉積-燒結(jié)法制備金屬/生物玻璃陶瓷梯度涂層技術(shù)，其特征在于涂層原料選用生物活性玻璃(BG)顆粒作為高溫粘接劑，且BG和HA顆粒在涂層中呈梯度變化。
全文摘要
電泳共沉積—燒結(jié)法制備金屬/生物玻璃陶瓷梯度涂層技術(shù),采用表面改性技術(shù),使生物玻璃(BG)顆粒和羥基磷灰石(HA)顆粒在所選合適的分散介質(zhì)中具有相同的帶電特性,從而實現(xiàn)了BG粉料和HA粉料在作為電極的基體上的共沉積;同時通過連續(xù)改變電泳液的組成,使涂層的成份產(chǎn)生梯度變化,由于涂層的沉積狀況與兩電極間的電場強度有關(guān),通過連續(xù)改變沉積電壓,可以得到具有一定孔結(jié)構(gòu)梯度的涂層。電泳共沉積所制的涂層經(jīng)燒結(jié)處理可得到結(jié)合強度優(yōu)良的金屬/生物玻璃陶瓷梯度涂層。
文檔編號C25D13/02GK1312402SQ01106418
公開日2001年9月12日 申請日期2001年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月9日
發(fā)明者陳曉明, 韓慶榮, 李世普 申請人:武漢理工大學(xué)