生带叠压共烧制备梯度微晶玻璃/HA复合涂层的微结构设计与界面行为研究

Ti alloy with hydroxyapatite(HA) coating is one kind of the most popular implant materials currently. However, the weak bond strength between Ti alloy and HA coating lowers its reliability and stability. To improve the interfacial bond, a transition layer of glass ceramic is introduced into the coating in this project. According to the study on microstructure design and interface hehavior, a novle graded glass ceramic/HA coating with good interfical bond is fabricated on Ti alloy via tape casting and cofiring. Based on thermodynamic calculations, two kinds of glass ceramic are designed, whose thermal expansion coefficients are close to those of Ti alloy and HA, respectively. Two kinds of glass ceramics are mixed as composite, and the effect of ingredient proportion on thermal expansion characteristic of the composite will be studied to construct graded glass ceramic coating. Green tape by tape casting is used to design the graded coating quantitatively. The microstructure and interfacial behavior of the cofired coating will be characterized to study the interfacial bond strength and mechanical properities of coatings. The finite element simulation is adropted to simulate the stress in coating during the cooling process, and a stress distribution model will be established to restrain the residual stress.

生物活性羟基磷灰石（HA）表面涂覆钛合金是目前广泛应用的生物种植体材料，但涂层与基体间结合力弱的问题直接影响其可靠性和稳定性。本研究拟在钛合金和HA涂层之间嵌入微晶玻璃梯度过渡层，通过对涂层微结构进行梯度设计，并对其界面结合行为进行研究，制备与钛合金有良好结合性能的梯度微晶玻璃/HA复合涂层。以材料热力学计算为基础，设计两种热膨胀系数分别与钛合金和HA相近的微晶玻璃，研究二者不同配比复合物热膨胀系数的变化规律，构建梯度结构微晶玻璃涂层模型；以生带叠压共烧技术实现涂层成分的梯度定量化控制，研究复合涂层的微观结构和界面状态对界面结合力和力学性能的影响机理；用有限元法构建梯度涂层在烧结冷却阶段的热应力分布状态模型，为抑制残余热应力提供依据。

本项目探索了基于钛合金表面的双体系复合玻璃梯度涂层的制备技术，为涂层材料与基体材料热失配引起的弱结合问题提出了解决途径，为钛合金生物种植体材料在人体内更可靠更长久地使用，奠定良好的技术基础，为满足即将到来的老龄化社会的实际需求提供技术储备。. 项目首先研究制备了软化点668℃、热膨胀系数4.02×10-6K-1 （200~500℃）的低热膨胀系数玻璃（A）体系和软化点442℃、热膨胀系数17.7×10-6K-1 （100~425℃）的高热膨胀玻璃（B）体系。在单体系玻璃烧结特性研究的基础上，分析了双体系玻璃在升降温过程中的析晶动力学特征，结果表明，两组分在升温过程中未发生明显反应，随着A玻璃组分的增加,双体系玻璃的热膨胀系数呈现近似线性增大趋势，软化温度呈现非线性降低趋势。单独A玻璃，热膨胀系数大，烧结冷却过程中从合金表面剥落；单独B玻璃，烧结温度高，在空气中烧结时，800℃烧结的涂层结合力差，轻刮即脱，而双体系的复合微晶玻璃体系能够与钛合金表面形成良好结合。在玻璃成分研究的基础上，开展生带制备技术研究：研究了溶剂、分散剂、PVB和塑化剂，对流延特性的影响，设计了专用的流延用有机溶剂；通过调整流延速度、刀口高度、温度等工艺参数数值，流延制备不同体系的各类生带膜层，均匀少缺陷，厚度为50~120μm，固含量为85.7~96.4%，密度为0.8~0.9g/cm3。之后，依据梯度复合原则，采用生带叠压技术，在钛合金表面烧结制备双体系微晶玻璃/HA梯度涂层。通过扫描电镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、红外傅利叶变换分析仪（FTTR）、电子探针（EPMA）等对涂层性能进行表征，依据ISO 13779-4标准用抗拉试验测试梯度涂层与钛合金基体之间的结合强度。结果表明：烧结制备的梯度涂层表面疏松多孔，分布均匀的杆状纳米羟基磷灰石晶体，而涂层基底部与钛合金形成致密结合，未发现微小裂纹等缺陷的存在，抗拉试验显示梯度涂层与钛合金结合强度达到26MPa。同时，本项目采用有限元方法对涂层梯度结构热应力分布进行分析，采用有限元法对涂层在制备过程中的热应力分布进行模拟分析，结果表明梯度涂层有利于缓解涂层内部和涂层与钛合金基板界面上的热应力，有效提高涂层与基体的结合力，与实验结果基本吻合。