一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种带Ti‑Nb合金涂层的钛合金及其制备方法和应用。所述Ti‑Nb涂层附着在钛合金基体上；所述钛合金基体为富镍形状记忆合金，为奥氏体相；所述Ti‑Nb涂层近表面不含Ni元素，且所述涂层的微观结构中含有(Ti,Nb)相，所述(Ti,Nb)相为β‑Ti结构。本发明专利技术通过同轴送粉、激光熔覆的方式在钛合金基体制备Ti‑Nb涂层。该涂层组织稀释率低，生物相容性优异，与基材呈良好的冶金结合，显微硬度达470±12.5HV。本发明专利技术制备工艺简单可控，所得产品性能优良且成本低，便于大规模的应用。同时本发明专利技术所设计和制备的材料特别适合用做生物医疗材料以及耐高温耐腐蚀材料。

【技术实现步骤摘要】
一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金及其制备方法和应用，属于表面处理

技术介绍
钛合金由于具有低弹性模量，高的耐腐蚀性、耐摩擦磨损性，高阻尼和优异的生物相容性，被广泛地应用于航空航天、汽车、军事、生活和生物医疗等领域。其中，较为突出地镍钛合金具有特殊的形状记忆效应和超弹性，它在临床上是很好的植入材料。但是在长期植入时，有毒性镍离子释放，且植入体表面的耐腐蚀性能力和耐摩擦磨损能力下降。这些问题，导致镍钛合金在生物医用材料的应用受到了一定程度的限制。生物医用材料的表面性质和质量通常对材料的生物相容性具有一定性的影响，而理想的表面涂层应具有特殊的表面结构和性质，和基底较强的结合强度，具有优异的力学相容性和生物相容性。很多年来，不乏优秀的科学工作者在这些问题上付出诸多努力，但是既要兼备镍钛合金本身的优秀性能，并解决其应用缺陷问题，又要考虑制备成本，这就给科研工作者带来了不少挑战。近年来，不停有人提出，具有一定铌含量的Ti-Nb合金同样具有形状记忆效应和超弹性，并且具有更为优良的耐腐蚀性和优异的力学生物相容性，可以替代镍钛合金应用于生物医用领域。但由于铌极其昂贵，导致其在大规模的应用以及完全替代镍钛合金这一方向上受到了限制。激光熔覆技术是一种新兴的表面改性和修复技术。同轴送粉式工作原理是，粉末在气体保护下经喷嘴送出，激光同轴扫描，一步成形，可以制备多道多层熔覆涂层。它可以显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性从而达到表面改性或修复的目的。它具有基材熔深小，涂层与基体为冶金结合，适合的熔覆材料多，粒度及含量变化大高效、成本低等优点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。迄今为止很少有人想到利用Ti-Nb合金优异的超弹性和生物相容性来表面改性钛合金。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对目前钛合金的临床缺陷，提出一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金及其制备方法和应用，解决生物医用植入体长期植入的表面强化问题。同时本专利技术还解决了Ti-Nb涂层产生裂纹和表面不平整的难题。本专利技术一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金；以钛合金基体材料；所述Ti-Nb涂层附着在基体上；所述基体为富镍形状记忆合金，为奥氏体相；所述Ti-Nb涂层中不含Ni原子，且所述涂层的微观结构中主要含有(Ti,Nb)相，所述(Ti,Nb)相为β-Ti结构。本专利技术一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金；所述Ti-Nb涂层中Nb的原子比例为15-35％、优选位20-30％、进一步优选为23％；余量为Ti。作为优选方案，本专利技术一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金；所述钛合金为镍钛合金。本专利技术一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金；涂层与基体材料结合界面致密平整，呈冶金结合，涂层表面光滑、致密；所述涂层的硬度为470±12.5HV。涂层的未搭接区域为1～3um的晶粒，以及大量的纳米晶，搭接区晶粒较大，主要为3～10um的晶粒。本专利技术一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金；所述单层熔覆涂层的厚度为1.0-1.5毫米。本专利技术一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金；通过激光熔覆在镍基体表面形成Ti-Nb合金涂层。本专利技术一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金的制备方法；以表面清洁干燥的钛合金作为基体材料；以Ti、Nb元素混合粉末为原料；通过激光熔覆，将Ti、Nb元素混合粉末涂覆于基体材料上，得到产品；激光熔覆时，控制激光功率为250-450W、优选为350-400W,激光功率为1.6-3.6mm/s、优选为2.0-3.0mm/s，光斑直径为2.0mm，搭接率为30-60％，优选为50％，送粉速率为0.08-0.15g/s、优选为0.1g/s。作为优选方案，本专利技术中熔覆路径为单向熔覆，激光器空回。涂层表面重熔一遍。录入g代码，全程计算机控制。本专利技术一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金的制备方法；所述表面清洁干燥的钛合金经下述处理方法得到：先将钛合金基材经水磨床打磨平整，再用棉花分别浸润去离子水，丙酮，去离子水和无水乙醇擦拭基材表面，严格按照这个顺序清理表面污渍。本专利技术一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金的制备方法；Ti、Nb元素混合粉末中Nb的原子比例为15-35％、优选位20-30％、进一步优选为23％；余量为Ti。本专利技术一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金的制备方法；Ti、Nb元素混合粉末通过下述步骤制备：本专利技术一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金的制备方法；进一步地，所述钛粉的粒径为53～125μm，含氧小于等于0.18wt.％，平均粒径为83μm,所述铌粉末的粒径为50～120μm，平均粒径为77μm，含氧小于等于0.32％。本专利技术一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金的制备方法；Ti、Nb元素粉为不规则形状的Ti、Nb元素粉。按设计组分配取钛粉、铌粉，严格将粉末置于保护气氛氩气中，以防止引入氧。并且，混料9小时，以达到粉末混合均匀的效果。本专利技术一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金的制备方法；采用同轴送粉的方式送粉。本专利技术所用制备工艺对粉末的流动性的要求不高。本专利技术的制备涂层工艺可以采取全自动模式，也可以采取半自动模式。注意,严格按照以下要求操作：第一，激光熔覆前，一定要先打开气瓶再送粉；实验结束，先停止送粉再关闭气瓶。第二，如果实验过程中途停止，务必关掉激光器再开舱。本专利技术一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金的制备方法；通过激光熔覆得到多道1～3层的Ti-Nb合金涂层；所述Ti-Nb合金涂层的总厚度为1.0-3.0毫米。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供了一种上钛合金表面激光熔覆Ti-Nb合金涂层在生物医疗中的应用，具体应用包括人体肋骨环抱器、支架、骨钉、血管夹和牙齿矫正器。同时本专利技术所设计和制备的材料也可用作耐高温耐腐蚀材料。由于本专利技术所设计和制备材料所具备的特性，将其其用做生物医疗材料、航空航天工业材料、汽车工业材料也是可行的。本专利技术利用Ti、Nb元素混合粉末进行混合，通过激光熔覆在镍钛合金表面形成Ti-Nb合金涂层，涂层与基体材料结合界面致密平整，呈良好的冶金结合，涂层致密，晶粒细小，涂层表面平整。该涂层具有超弹性、高强度、耐磨擦磨损、耐腐蚀等特性，可以有效阻止镍离子的释放，改善镍钛合金的生物相容性，并且在镍钛合金的超弹性和形状记忆应用中，不易脱落。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术的Ti-Nb合金材料满足了生物相容性的同时还提高了耐磨性，耐腐蚀性，成功阻止了镍离子的释放；本专利技术的Ti、Nb混合粉末材料含氧低，制备方法简单，涂层主要含有β-Ti相，与基材呈良好的冶金结合。(2)采用激光熔覆技术制备涂层，可控制激光工艺参数(激光功率，激光扫描速率，激光光斑大小，搭接率，送粉速率等)来控制涂层质量，可选择不同层数的涂层进而调控涂层表面组织和力学性能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中地技术方案，下面将对实施例或现有技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金；其特征在于：以钛合金基体材料；所述Ti-Nb涂层附着在基体上；所述基体为富镍的形状记忆合金，为奥氏体相；所述Ti-Nb涂层中不含Ni原子，且所述涂层的微观结构中含有(Ti,Nb)相，所述(Ti,Nb)相为β-Ti结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金；其特征在于：以钛合金基体材料；所述Ti-Nb涂层附着在基体上；所述基体为富镍的形状记忆合金，为奥氏体相；所述Ti-Nb涂层中不含Ni原子，且所述涂层的微观结构中含有(Ti,Nb)相，所述(Ti,Nb)相为β-Ti结构。


2.根据权利要求1所述的一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金；其特征在于：所述Ti-Nb涂层中Nb的原子比例为15-35％、优选为20-30％、进一步优选为23％；余量为Ti。


3.根据权利要求1所述的一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金；其特征在于：所述钛合金为镍钛合金。


4.根据权利要求1所述的一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金；其特征在于：涂层与基体材料结合界面致密平整，呈冶金结合，涂层表面光滑、致密；所述涂层的硬度为470±12.5HV；涂层的未搭接区域的尺寸小于等于3um，搭接区的晶粒的尺寸大于3um且小于等于10um。


5.根据权利要求1所述的一种带Ti-Nb合金涂层的钛合金；其特征在于：所述单层熔覆涂层的厚度为1.0-1.5毫米。


6.一种如权利要求1-5任意一项所述带Ti-Nb涂层的钛合金的制备方法；其特征在于：以表面清洁干燥的钛合金作为基体材料；以Ti、Nb元素混合粉末为原料；通过激光熔覆，将Ti、Nb元素混合粉末涂覆于基体材料上，得到产品；激光熔覆时，控制激光功率为250-450...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宏，胡洁，黄千里，刘咏，梁陆新，朱铁，刘文涛，杨雨铖，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43