微束等离子喷涂羟基磷灰石扁平化粒子凝固结构特性及涂层性能调控

This work intends to use self-developed microplasma spraying system to prepare hydroxyapatite (HA) coatings, to investigate the law of melting and decomposition behaviors of spraying particles by monitoring the motion states of HA particles in the high temperature microplasma jet. Then the morphology, composition and microstructure of splats and the micro-zone cross section of HA/substrate interface will be investigated and analyzed in micro and nano scale by introducing FIB system for TEM specimen preparation, to establish the relationship between solidified microstructure evolution of splats and coating properties. Also, the affection of coating structure and composition to bonding strength will be studied by designing and preparing HA coatings with different degrees of crystallinity, HA/Ti and HA/Ti-6Al-4V composite coatings. Finally, the regulatory mechanism between microstructure, mechanical property and biocompatibility of coatings will be explored according to the actual measurement results of coating microstructure and performance with combination of the biocompatibility evaluation of HA coatings. Compared with traditional plasma spraying, microplasma spraying requires much less power (1-4 kW), can be used to prepare HA coatings with higher degree of crystallinity (>90%) with less formation of impurities and amorphous phases, which shows its suitability for coating implants with small sizes. This study has important scientific significance and practical value since the coming results will provide crucial scientific evidence for preparing HA coatings that satisfy the clinical application requirements by microplasma spraying.

本项目利用自行研制的微束等离子喷涂(MPS)系统制备羟基磷灰石(HA)涂层，通过监测HA颗粒在高温射流作用下的运动状态，研究颗粒受热熔化和组织分解的规律。利用聚焦离子束技术制备TEM样品，对扁平颗粒、HA/基材界面微区剖面在微米、纳米尺度下进行形貌、精细结构和组分分析，建立扁平化粒子凝固组织结构演变与涂层性能之间的关系。通过设计结晶度不同的结构复合的HA涂层，以及HA/Ti、HA/Ti-6Al-4V复合涂层，研究涂层结构和组分因素对结合强度的影响。根据对涂层组织结构和性能的检测结果，结合生物相容性评价试验，探索涂层组织结构-力学性能-生物相容性调控机制。MPS与传统等离子喷涂相比，具有设备功率低(1-4kW)，可制备高结晶度HA涂层(>90%)，涂层中杂相和非晶相极少的优势，适于制备尺寸细小的植入物。本项目可为MPS制备满足临床要求的HA涂层提供关键科学依据，具有重要的科学意义和实用价值。

羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)具有与人体骨和牙齿主要矿物质成分类似的化学组成和晶体结构，具有优良的生物相容性和生物活性。在医用金属基材上沉积HA涂层，可兼具金属优良的力学性能和HA良好的生物活性。在众多的HA涂层制备技术中，等离子喷涂HA涂层较为成熟。但采用传统等离子设备所制备的HA涂层中含有较多的分解相和非晶相，不利用HA涂层在体内的稳定性。微束等离子喷涂（MPS）可制备高结晶度HA涂层(>90%)，适于制备尺寸细小的植入物。 .本项目研究了飞行颗粒受热熔化和分解的规律，以及颗粒撞击基材扁平化凝固组织特征。制备了HA和HA/Ti-6Al-4V复合涂层，根据对涂层组织结构和性能的检测结果，结合生物相容性评价试验，探索涂层组织结构-力学性能-生物相容性调控机制。主要结论如下：.（1）与传统大气等离子喷涂相比，微束等离子喷涂过程中飞行颗粒的温度较低，飞行速度仅为传统大气等离子喷涂的1/3-1/5。通过调整喷涂功率和喷涂距离可控制飞行颗粒的熔化程度。.（2）在微束等离子喷涂过程中，部分熔化的飞行颗粒撞击基体形成扁球形扁平颗粒；完全熔化的飞行颗粒撞击具有较高温度的基体形成圆盘状扁平颗粒；完全熔化的飞行颗粒撞击温度较低的基体形成溅射状扁平颗粒。较慢的冷却速度有利于晶体的形成，较快的冷却速度导致非晶的形成。.（3）在微束等离子喷涂中具有择优取向的羟基磷灰石涂层的形成规律为：采用较大的喷涂电流使HA颗粒在沉积之前的完全熔化。采用较小的喷涂距离来降低飞行颗粒撞击基体后的冷却速度，促进柱状晶沿c轴方向生长，最终形成强择优取向的HA涂层。.（4）通过添加第二相Ti-6Al-4V可明显提高涂层的结合强度，但不利于涂层的生物相容性。.（5）采用微束等离子喷涂制备的强（002）择优取向的涂层在体液环境中的稳定性最高，细胞在其表面的增值和分化能力较强，且抗菌能力较强。.本项目为微束等离子喷涂技术制备满足临床应用要求的羟基磷灰石涂层提供关键科学依据，具有重要的科学意义和实用价值。